Die Forschenden stellten im Labor Aluminium-Knopfbatterien her. Das Batteriegehäuse ist aus Edelstahl, das innen mit Titannitrid beschichtet ist, um es korrosionsbeständig zu machen.

Bild: ETH Zürich/Kostiantyn Kravchyk

Nachhaltige Billigbatterien Erneuerbare günstiger speichern

07.05.2018

Ein neues leitendes und ein neues Elektrodenmaterial sollen den Weg für kostengünstige Batterien bereiten und erneuerbare Energie in großem Stil speichern.

Immer mehr Strom wird aus Sonnen- und Windenergie hergestellt. Neue Batterietechnologien helfen, diesen Strom kostengünstig zwischenzuspeichern. Die existierenden Lithiumionenbatterien sind wegen ihres geringen Gewichts für die Elektromobilität geeignet. Allerdings sind sie teuer und nicht geeignet für eine wirtschaftliche ortsgebundene Zwischenspeicherung in großem Umfang. Zudem ist Lithium auf der Erde verhältnismäßig rar und schwierig zu gewinnen – im Gegensatz zu Aluminium, Magnesium und Natrium.

Batterien, die auf einem dieser drei Elemente beruhen, gelten als vielversprechende künftige Möglichkeit der ortsgebundenen Stromspeicherung. Aluminiumbatterien bestehen aus billigen und in großen Mengen vorkommenden Rohstoffen.

Forscher haben nun zwei neue Materialien gefunden, mit der die Entwicklung von Aluminiumbatterien entscheidend voranschreiten könnte: Ein korrosionsbeständiges Material für die leitenden Teile der Batterie und ein neues Material für ihren Pluspol, das an vielfältige technische Anforderungen angepasst werden kann. An der Erforschung und Entwicklung solcher Batterien sind auch Wissenschaftler von der ETH Zürich und der Empa um Maksym Kovalenko, Professor für anorganische Funktionsmaterialien, beteiligt.

Aggressive Elektrolytflüssigkeit

Weil die Elektrolytflüssigkeit von Aluminiumbatterien äußerst aggressiv ist und beispielsweise rostfreien Stahl (sowie auch Gold und Platin) angreift, sind Wissenschaftler auf der Suche nach korrosionsbeständigen Materialien für die leitenden Teile solcher Batterien. ETH-Professor Kovalenko und seine Kollegen sind in Titannitrid, einem keramischen Material mit ausreichend hoher Leitfähigkeit, fündig geworden. „Diese Verbindung besteht aus den sehr häufig vorkommenden Elementen Titan und Stickstoff und lässt sich einfach herstellen“, erklärt Kovalenko.

Die Wissenschaftler haben im Labor erfolgreich Aluminiumbatterien mit leitenden Teilen aus Titannitrid hergestellt. Aus dem Material können auch dünne Filme hergestellt werden, und es eignet sich 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

Das zweite neue Material verwendeten die Forscher für die positive Elektrode (Pluspol) von Aluminiumbatterien. Während 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 ähnlich viel Energie speichern lässt wie mit Graphit.

Es handelt es sich um Polypyren, 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.

Zu den Vorteilen von polypyrenhaltigen Elektroden gehören, dass Wissenschaftler ihre Eigenschaften beeinflussen können, beispielsweise ihre Porosität. Das bietet die Möglichkeit, das Material optimal an die jeweiligen Anwendungen anzupassen. „Das bisher verwendete Graphit hingegen ist ein Mineral. Es lässt sich ingenieurtechnisch nicht verändern“, so 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.

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