Aluminiumbatterien – neue Materialien für günstigere Speicherung

Innovative Stoffe für Elektroden und leitende Teile könnten den Weg für kostengünstige Batterien bereiten.

Zur Energiespeicherung werden heute mehrheitlich Lithium-Ionen-Batterien genutzt, die sich zum Beispiel durch ihr geringes Gewicht auszeichnen. Allerdings sind die Herstellungskosten vergleichsweise hoch, zudem ist das Element Lithium auf der Erde rar und schwierig zu gewinnen. Speziell für die großtechnische, stationäre Energiespeicherung sucht man daher nach Alternativen. Aluminiumbatterien gelten hier als besonders interessante Option, denn sie bestehen aus billigen und in grossen Mengen vorkommenden Rohstoffen. Solche Batterien befinden sich bislang jedoch noch nicht im industriellen Einsatz. Eines der Institute, das sich mit ihrer Erforschung und Entwicklung befasst, ist die Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich).

Titannitrid für leitende Teile

Foto: ETH Zürich / Kostiantyn Kravchyk

Hier haben Maksym Kovalenko, Professor für anorganische Funktionsmaterialien, und sein Team nun zwei neue Materialien gefunden, welche nach Einschätzung der Forscher die Entwicklung von Aluminiumbatterien entscheidend weiterbringen könnten. Bei dem ersten der kürzlich entdeckten Materialien handelt es sich um Titannitrid, ein keramisches Material mit ausreichend hoher Leitfähigkeit, das zudem sehr korrosionsbeständig ist. Diese Eigenschaft ist wichtig, weil die Elektrolytflüssigkeit von Aluminiumbatterien äußerst aggressiv ist und unter anderem rostfreien Stahl, Gold und Platin angreift. Titannitrid könnte bei den leitenden Teile der Batterie zum Einsatz kommen.

Die Verbindung besteht aus den sehr häufig vorkommenden Elementen Titan und Stickstoff. Den Wissenschaftlern ist es bereits gelungen, im Labor Aluminiumbatterien mit leitenden Teilen aus Titannitrid herzustellen. Das Material lässt sich auch zu dünnen Filmen verarbeiten und eignet sich somit zur Beschichtung anderer Materialien. Daher wäre es laut Kovalenko auch denkbar, die Leiter aus einem herkömmlichen Metall herzustellen und sie mit Titannitrid zu beschichten oder gar Titannitrid-Leiterbahnen auf Kunststoff zu drucken. „Die möglichen Anwendungen von Titannitrid bleiben dabei nicht auf Aluminiumbatterien beschränkt. Das Material könnte auch in anderen Batteriearten eingesetzt werden, zum Beispiel in solchen, die auf Magnesium oder Natrium basieren oder in Hochspannungs-Lithiumionenbatterien“, sagt Kovalenko.

Alternative zu Graphit

Aluminium ist nach Sauerstoff und Silicium das dritthäufigste Element in der Erdhülle und in der Erdkruste ist es das am häufigsten vorkommende Metall. Foto: pixabay (yuelanliu)

Polypyren heißt das zweite neuartige Material, das für den Pluspol der Aluminiumbatterie optimal geeignet scheint. Während die negative Elektrode (Minuspol) bei den alternativen Batterien aus Aluminium besteht, wird die positive Elektrode in der Regel aus Graphit gefertigt. Kovalenko und seine Mitarbeiter haben festgestellt, dass sich mit Polypyren ähnlich viel Energie speichern lässt wie mit Graphit. Es handelt sich um einen Kohlenwasserstoff mit kettenförmiger Molekülstruktur. Insbesondere Materialproben, in denen sich die Molekülketten ungeordnet zusammenlagerten, erwiesen sich in Experimenten als ideal. „Zwischen den Molekülketten bleibt viel Platz. Die verhältnismäßig großen Ionen der Elektrolytflüssigkeit können daher gut in das Elektrodenmaterial eindringen und es laden“, erklärt Kovalenko.

Polypyrenhaltige Elektroden haben den Vorteil, dass Wissenschaftler ihre Eigenschaften beeinflussen können, wie etwa ihre Porosität. So ist es möglich, das Material optimal an die jeweiligen Anwendungen anzupassen. „Das bisher verwendete Graphit hingegen ist ein Mineral. Es lässt sich ingenieurtechnisch nicht verändern“, erläutert Kovalenko. Sowohl Titannitrid als auch Polypyren sind biegsame Materialien und daher laut den Forschern für die Verwendung in sogenannten Pouch-Zellen (von einer flexiblen Folie umschlossenen Batterien) geeignet.

www.ethz.ch

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