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, Professor für anorganische Funktionsmaterialien, 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.
Aggressive Elektrolytflüssigkeit
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 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.
Titannitrid für neue und herkömmliche Batterien
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.
Alternative zu Graphit
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.
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.
owohl Titannitrid als auch Polypyren sind biegsame Materialien und daher laut den Forschern für die Verwendung in sogenannten Pouch-Zellen geeignet, dies sind von einer flexiblen Folie umschlossenen Batterien.
