10.10.2018

Unordnung stabilisiert Batterien

Hochentropie-Oxide eröffnen neue Möglich­keiten für die rever­sible Energie­speicherung.

Eine nachhaltige Energieversorgung verlangt zuverlässige Energie­speicher. So ist die Nach­frage nach wieder­auf­lad­baren elektro­chemischen Energie­speichern für stationäre und mobile Anwen­dungen in den ver­gan­genen Jahren stark gestiegen und wird zukünftig weiter wachsen. Wichtige Eigen­schaften einer Batterie sind unter anderem ihre Speicher­kapazität und ihre Zyklen­festig­keit, das heißt die Zahl der ohne Kapa­zitäts­verlust möglichen Lade- und Ent­lade­vorgänge. Dabei ver­spricht eine völlig neue Klasse von Materi­alien, die Hoch­entropie-Oxide, kurz HEO, dank ihrer beson­deren Stabi­lität wesent­liche Ver­besse­rungen. HEO eröffnen darüber hinaus die Möglich­keit, über eine Änderung ihrer Zusammen­setzung elektro­chemische Eigen­schaften maß­zu­schneidern. Wissen­schaftler um Horst Hahn vom Karls­ruher Institut für Techno­logie, vom Helm­holtz-Institut Ulm sowie vom Indian Institute of Techno­logy Madras haben jetzt erst­mals die Eignung von HEO als Konver­sions­materi­alien zur rever­siblen Lithium­speiche­rung gezeigt. Konver­sions­batterien, die auf elektro­chemischer Material­umwand­lung basieren, erlauben eine Erhöhung der gespeicherten Energie­menge bei gleich­zeitiger Ver­ringe­rung des Batterie­gewichts. Mit HEO fertigten die Wissen­schaftler konver­sions­basierte Elek­troden, die mehr als fünf­hundert Lade­zyklen ohne signi­fi­anten Kapa­zitäts­verlust über­stehen.

Abb.: Das aktive Material, untersucht mit hoch­auf­lösender Trans­missions­elek­tronen­mikro­skopie und energie­disper­siver Röntgen­spektro­skopie. (Bild: A. Sarkar et al. / Springer Nature)

Die besonderen Eigenschaften der HEO basieren auf Entropie­stabili­sie­rung. Darin sind sie mit den bereits bekannteren Hoch­entropie-Legie­rungen ver­gleich­bar. Bei entropie­stabili­sierten HEO handelt es sich um komplexe Oxide, die fünf oder mehr ver­schie­dene Metall­kationen in gleicher Menge ent­halten und eine ein­phasige Kristall­struktur auf­weisen. Auch wenn die typischen Kristall­strukturen der ein­zelnen Elemente sich deut­lich von­ein­ander unter­scheiden, bilden diese ein gemein­sames Gitter, wobei sie sich ohne erkenn­bare Ordnung auf die Posi­tionen im Kristall ver­teilen. Diese hohe Entropie stabi­li­siert das Material, ver­mut­lich unter anderem des­halb, weil sie das Wandern von Fehlern im Kristall­gitter erschwert.

„Dank der hohen Stabilität, der Interaktionen zwischen den ver­schie­denen Metall­kationen und der Viel­zahl der denk­baren Element­kombi­na­tionen eröffnen HEO bisher unge­ahnte neue Möglich­keiten“, erklärt Hahn. Die Studie konzen­trierte sich auf HEO auf der Basis von Über­gangs­metallen, die sich durch eine hohe Lithium­ionen-Leit­fähig­keit aus­zeichnen. Mit­hilfe der Trans­missions­elek­tronen­mikro­skopie unter­suchten die Forscher die Struktur dieser HEO und ihren Ein­fluss auf die Konver­sions­reaktion. Sie stellten fest, dass die Entfer­nung nur eines Elements die Entropie herab­setzt und die Zyklen­festig­keit ver­schlechtert. Jedes ein­zelne Element wirkt sich indivi­duell auf das elektro­chemische Ver­halten deser HEO aus, sodass sich die Materi­alien für ver­schie­dene Anforde­rungen maß­schneidern lassen. Mithin ergibt sich ein modu­larer Ansatz zur systema­tischen Ent­wick­lung von Elek­troden­materi­alien. „Unsere Studie hat gezeigt, dass entropie­stabili­sierte HEO sich deut­lich von klas­sischen Konver­sions­materi­alien abheben“, erklärt Hahn. „Um ihr volles Poten­zial für Energie­speicher­anwen­dungen zu erschließen, bedarf es aller­dings weiterer Forschungs­arbeiten.“

KIT / RK

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