Forscher der ETH Zürich wollen Titannitrid als neues leitendes Material und Polypren als neues Elektrodenmaterial einsetzen und damit Batterien kostengünstiger machen. Mit den Aluminiumknopf-Batterien soll sich aber auch erneuerbare Energie besser speichern lassen.

Vielversprechende Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien

Die existierenden Lithium-Ionenbatterien haben wegen ihres geringen Gewichts entscheidende Vorteile für die Elektromobilität. Allerdings sind sie auch kostenintensiv und verhältnismäßig rar und schwierig zu gewinnen. Aluminumbatterien dagegen haben das Potenzial Strom aus erneuerbaren Energiequellen kostengünstig zwischenzuspeichern. Sie bestehen aus billigen und noch dazu in großen Mengen vorkommenden Rohstoffen. Einem Forschungsteam der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH Zürich) zusammen mit der Schweizer Forschungsinstitution Empa um Maksym Kovalenko, Professor für anorganische Funktionsmaterialien, könnte mit neuen Materialien der Durchbruch für Aluminiumbatterien gelingen.

Korrosionsgefahr von Aluminiumbatterien verringern

Die Elektrolytflüssigkeit von Aluminiumbatterien ist äußerst aggressiv und greift beispielsweise rostfreien Stahl, aber auch Gold und Platin an. Daher begaben sich die Forscher der ETH Zürich auf die Suche nach Materialien, die korrosionsbeständig sind und so die Entwicklung von Aluminiumbatterien entscheidend voranbringen können. 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. Aus Titannitrid könnten auch dünne Filme hergestellt werden. Laut Kovalenko wäre es somit 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-Lithium-Ionenbatterien», sagt Kovalenko.

Alternative zu Graphit

Während die negative Elektrode aus Aluminium ist, besteht die positive Elektrode in der Regel aus Graphit. Kovalenko und seine Mitarbeiter stießen auf ein Material, mit dem sich in einer Batterie ähnlich viel Energie speichern lässt wie mit Graphit. Es handelt sich dabei 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 geeignet. Bei Pouch-Zellen handelt es sich um von einer flexiblen Folie umschlossenen Batterien. (sih)

Quelle: ETH Zürich