Neue Materialien für nachhaltige Billigbatterien

F¨¹r die Energiewende braucht es Technologien, um Strom aus erneuerbaren Energiequellen kosteng¨¹nstig zwischenzuspeichern. Eine vielversprechende neue M?glichkeit sind Aluminiumbatterien. Sie bestehen aus billigen und in grossen Mengen vorkommenden Rohstoffen (siehe Kasten).

An der Erforschung und Entwicklung solcher Batterien sind auch Wissenschaftler von der ETH Z¨¹rich und der Empa um Maksym Kovalenko, Professor f¨¹r anorganische Funktionsmaterialien, beteiligt. Diese Forscher haben nun zwei neue Materialien gefunden, welche die Entwicklung von Aluminiumbatterien entscheidend weiterbringen k?nnten. Es handelt sich dabei einerseits um ein korrosionsbest?ndiges Material f¨¹r die leitenden Teile der Batterie, andererseits um ein neuartiges Material f¨¹r ihren Pluspol, das an vielf?ltige technische Anforderungen angepasst werden kann.

Aggressive Elektrolytfl¨¹ssigkeit

Weil die Elektrolytfl¨¹ssigkeit von Aluminiumbatterien ?usserst aggressiv ist und beispielsweise rostfreien Stahl (sowie auch Gold und Platin) angreift, sind Wissenschaftler auf der Suche nach korrosionsbest?ndigen Materialien f¨¹r die leitenden Teile solcher Batterien. ETH-Professor Kovalenko und seine Kollegen sind in Titannitrid, einem keramischen Material mit ausreichend hoher Leitf?higkeit, f¨¹ndig geworden. ?Diese Verbindung besteht aus den sehr h?ufig vorkommenden Elementen Titan und Stickstoff und l?sst sich einfach herstellen?, erkl?rt Kovalenko.

Die Wissenschaftler haben im Labor erfolgreich Aluminiumbatterien mit leitenden Teilen aus Titannitrid hergestellt. Aus dem Material k?nnen auch d¨¹nne Filme hergestellt werden, und es eignet sich zur Beschichtung anderer Materialien. Daher w?re es laut Kovalenko auch denkbar, die Leiter aus einem herk?mmlichen Metall herzustellen und sie mit Titannitrid zu beschichten oder gar Titannitrid-Leiterbahnen auf Kunststoff zu drucken. ?Die m?glichen Anwendungen von Titannitrid bleiben dabei nicht auf Aluminiumbatterien beschr?nkt. Das Material k?nnte 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

Das zweite neue Material verwendeten die Forscher f¨¹r die positive Elektrode (Pluspol) von Aluminiumbatterien. W?hrend die negative Elektrode (Minuspol) bei solchen Batterien aus Aluminium ist, besteht die positive Elektrode in der Regel aus Graphit. Kovalenko und seine Mitarbeiter haben nun ein neues Material gefunden, mit dem sich in einer Batterie ?hnlich viel Energie speichern l?sst wie mit Graphit. Es handelt es sich um Polypyren, einen Kohlenwasserstoff mit kettenf?rmiger Molek¨¹lstruktur. Insbesondere Materialproben, in denen sich die Molek¨¹lketten ungeordnet zusammenlagerten, erwiesen sich in Experimenten als ideal. ?Zwischen den Molek¨¹lketten bleibt viel Platz. Die verh?ltnism?ssig grossen Ionen der Elektrolytfl¨¹ssigkeit k?nnen daher gut in das Elektrodenmaterial eindringen und es laden?, erkl?rt Kovalenko.

Zu den Vorteilen von Polypyren-haltigen Elektroden geh?ren, dass Wissenschaftler ihre Eigenschaften beeinflussen k?nnen, beispielsweise ihre Porosit?t. Das bietet die M?glichkeit, das Material optimal an die jeweiligen Anwendungen anzupassen. ?Das bisher verwendete Graphit hingegen ist ein Mineral. Es l?sst sich ingenieurtechnisch nicht ver?ndern?, so Kovalenko.

Sowohl Titannitrid als auch Polypyren sind biegsame Materialien und daher laut den Forschern f¨¹r die Verwendung in sogenannten Pouch-Zellen (von einer flexiblen Folie umschlossenen Batterien) geeignet.