Titan-Luft-Batterie Neuer Batterietyp mit potenziell hoher Energiedichte

Titan einmal anders: Statt im künstlichen Hüftgelenk könnte das Metall eine neue Karriere als Bestandteil von Batterien erhalten. Forscher haben in ersten Tests gezeigt, dass Titan-Luft-Batterien mit anderen Metall-Luft-Batterien mithalten können – das theoretische Potenzial ist sogar weitaus höher.

Titan ist als passiver, stabiler Werkstoff bekannt, aus dem etwa Prothesen in der Medizintechnik gefertigt werden. Ein Team des Forschungszentrums Jülich hat nun in Kooperation mit der technischen Universität Israels Titan als Batteriebestandteil neu entdeckt. Den Wissenschaftlern gelang es, das elektrochemische Potenzial des Metalls mittels einer ionischen Flüssigkeit mit der Bezeichnung EMIm(HF)_2.3F für die Speicherung elektrischer Energie nutzbar zu machen. Ionische Flüssigkeiten sind Salze mit einem untypischen, sehr niedrigen Schmelzpunkt, die aufgrund ihrer besonderen elektrischen und stofflichen Eigenschaften bei verschiedenartigen Anwendungen zum Einsatz kommen.

Titan-Luft-Batterien verfügen theoretisch über eine zwei- bis dreimal so hohe Energiedichte wie Zink-Luft-Batterien, die heute standardmäßig als Knopfzelle in Hörgeräten, Steuermodulen und Sensoren eingesetzt werden. Die theoretisch erzielbare Spannung liegt in einem ähnlichen Bereich wie die von Zink-Luft-Batterien. Im Experiment haben die Forscher eine durchschnittliche Zellspannung von bis zu 1,2 Volt sowie relativ hohe Lade- / Entladeströme von bis zu 0,75 mA/cm² gemessen. Zum Vergleich: Zink-Luft-Batterien erreichen im Betrieb rund 1,3 Volt und etwa einen Entladestrom von 1 mA/cm² [1]

Was macht die Titan-Luft-Batterie so besonders?

Metall-Luft-Batterien funktionieren alle nach dem gleichen Prinzip: das enthaltene Metall reagiert mit dem Sauerstoff in der Luft, um elektrische Energie freizusetzen. Dieser Batterietyp nimmt damit unter den Batterien eine Sonderstellung ein, da einer der beiden Reaktionspartner, Sauerstoff, über eine spezielle Elektrode aus der Umgebungsluft gewonnen wird und nicht in der Batterie vorgehalten werden muss. Daher lassen sich mit diesen Systemen zumindest theoretisch deutlich höhere Energiedichten realisieren als mit gängigen Batterietypen.

Festkörperbatterien

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Aus diesem Grund eignen sich Metall-Luft-Batterien insbesondere für Anwendungen, bei denen es auf eine kompakte Bauform ankommt. Eine weitere, perspektivische Anwendung sind großskalige stationäre Speicher, bei denen kostengünstige, häufig vorkommende und ungiftige Materialien zum Einsatz kommen. So ist Titan, obwohl es als teurer Werkstoff bekannt ist, von den Materialkosten her um ein Vielfaches günstiger als Lithium, allerdings teurer als Aluminium. In der Liste der am häufigsten in der Erdkruste vorkommenden Stoffe steht Titan an neunter Stelle. Entsprechend reichhaltig sind die vorhandenen Ressourcen.

Als Anodenmaterial für Metall-Luft-Batterien stehen vor allem Zink, Aluminium, Eisen sowie Silizium für Silizium-Luft-Batterien im Fokus der Forschung. Titan wurde dagegen kaum als aktives Material in Betracht gezogen, experimentelle Ergebnisse lagen bislang nicht vor. Titan hat aber als Stromspeicher Interesse geweckt, weil jedes Atom bis zu vier Elektronen für den Ladungstransfer abgeben kann und es gleichzeitig relativ leicht und äußerst widerstandsfähig ist. Die nun veröffentlichten Ergebnisse stellen einen ersten Beleg für das Batterie-Potenzial von Titan dar. (clu)

Originalpublikation: Yasin Emre Durmus, Marcel Kaltenberg, Krzysztof Dzieciol, Maximilian Schalenbach, Danny Gelman, Boris Shvartsev, Hermann Tempel, Hans Kungl, Rüdiger-A. Eichel, Yair Ein-Eli: Breaking the passivity wall of metals: Exempli gratia non-aqueous Ti–air battery, Chemical Engineering Journal, Volume 461, 2023, DOI: 10.1016/j.cej.2023.141903

Quellen:

[1] Wenxu Shang et al.: A zinc-air battery capable of working in anaerobic conditions and fast environmental energy harvesting, Cell Reports Physical Science, Volume 3, Issue 6, 15 June 2022, 100904; DOI: 10.1016/j.xcrp.2022.100904

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