02. Mai 2018

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

Funktionsschema der Aluminiumbatterien der Forschenden von ETH Zürich und Empa. Bild: Advanced Materials 2018, bearbeitet

Molekülstrukur von Polypyren. Bild: Advanced Materials 2018

Empa: Sind Alu-Batterien Teil unserer künftigen Speicherlösungen?

(Empa/ee-news.ch) Fast täglich erhalten wir in der Redaktion von ee-news.ch Meldungen über bahnbrechende Batterieforschungsprojekte. Nun erklärt die Empa, das Ei des Kolumbus gefunden zu haben. Empa Forscher sehen in der Aluminiumbatterien vielversprechende neue Möglichkeiten, da sie aus billigen und in grossen Mengen vorkommenden Rohstoffen besteht.


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 Photovoltaikbeheimatet 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.

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 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.

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.

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. «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 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.

Text: Fabio Bergamin, Empa

1 Kommentare
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Solarfan @ 04. Mai 2018 11:55

Wieder eine neue Errungenschaft der EMPA.
Hoffentlich verschwindet sie nicht auch in einer Schublade wie die 2015 von der EMPA gross angekündigte "Katzengold"-Batterie, die angeblich in der Lage wäre, die Jahresproduktion des AKW Leibstadt zwischenzuspeichern!
Dies wäre doch die Lösung um Solar- und Windstrom vom Tag in die Nacht und vom Sommer in den Winter zwischenzuspeichern.
Da wird immer geklagt, es gebe keine ausreichenden Speichermöglichkeiten für Sonne und Wind. Es gibt sie offenbar, man müsste sie nur nutzen.
Warum wird die "Katzengold"-Batterie nicht zur Einsatzreife weiterentwickelt ??
https://www.empa.ch/de/web/s604/fool-s-gold-battery

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