08.05.2018

Stabilere Alu-Akkus

Leitfähiges Titannitrid verhindert unerwünschte Korrosionseffekte.

Für die Energiewende braucht es Technologien, um Strom aus erneuer­baren Energiequellen kosten­günstig zwischen­zuspeichern. Eine vielver­sprechende neue Möglichkeit sind Aluminium­batterien. Sie bestehen aus billigen und in grossen Mengen vor­kommenden Rohstoffen. An der Erforschung und Entwicklung solcher Batterien sind auch Wissen­schaftler von der ETH Zürich und der Empa um Maksym Kovalenko beteiligt. Diese Forscher haben nun zwei neue Materialien gefunden, welche die Entwicklung von Aluminium­batterien entscheidend weiter­bringen könnten. Es handelt sich dabei einer­seits um ein korrosions­beständiges Material für die leitenden Teile der Batterie, anderer­seits um ein neuartiges Material für ihren Pluspol, das an viel­fältige technische Anfor­derungen angepasst werden kann.

Abb.: Prototyp einer Aluminium-Knopfbatterie: Das Batteriegehäuse ist aus Edelstahl, das innen mit Titannitrid beschichtet ist, um es korrosionsbeständig zu machen. (Bild: K. Kravchyk, ETHZ)

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. 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.

Das zweite neue Material verwendeten die Forscher für die positive Elektrode von Aluminium­batterien. Während die negative Elektrode 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 Poly­pyren-haltigen 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 Pouch-Zellen – von einer flexiblen Folie umschlos­senen Batterien – geeignet.

ETHZ / JOL

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