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Polypyren und Titannitrid Billigere Batterien durch neue Materialien?

Autor / Redakteur: Fabio Bergamin* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Eine verbesserte Batterie-Technik ist ein zentraler Pfeiler für eine erfolgreiche Energiewende. Neben höheren Speicherkapazitäten ist vor allem die Kostenfrage eine entscheidende: Wie günstig können Batterien produziert werden? Schweizer Wissenschaftler der ETH Zürich und des Empa haben nun mit zwei neuen Materialien experimentiert, die billigere Batterien möglich machen sollen.

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

Dübendorf/Schweiz, Zürich/Schweiz – 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.

Leitende Teile der Batterie

Die Erforschung und Entwicklung von Batterien aus preiswerten Rohstoffen ist ein zentrales Thema von Maksym Kovalenko, dessen Forschungsgruppe zugleich an der ETH Zürich und im Empa-Labor für Dünnfilme und Photovoltaik beheimatet ist. Forscher dieser Arbeitsgruppe 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.

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 der Abteilung für Dünnfilme und Photovoltaik an der Empa 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 Stephan Buecheler von der Empa.

Titannitrid für dünne Filme oder Beschichtungen

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.

Pluspol aus Polypyren

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.

Molekülstrukur von Polypyren
Molekülstrukur von Polypyren
(Bild: Advanced Materials 2018)

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 sogenannten Pouch-Zellen (von einer flexiblen Folie umschlossenen Batterien) geeignet.

Originalpublikationen: Wang S, Kravchyk KV, Filippin AN, Müller U, Tiwari AN, Buecheler S, Bodnarchuk MI, Kovalenko MV: Aluminum Chloride‐Graphite Batteries with Flexible Current Collectors Prepared from Earth‐Abundant Elements. Advanced Science 2018, 1700712, doi: 10.1002/advs.201700712

Walter M, Kravchyk KV, Böfer C, Widmer R, Kovalenko MV: Polypyrenes as High-Performance Cathode Materials for Aluminum Batteries. Advanced Materials 2018, 1705644, doi: 10.1002/adma.201705644

* F. Bergamin, ETH Zürich, 8092 Zürich/Schweiz

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