Batterien aus Schrott

SEM-Bilder von PB@SSM (links) und RGO@PB@SSM mit entsprechender Vergrößerung (Bild: Yun-Hai Zhu et al. / Wiley-VCH)

Abfall sinnvoll verwerten und gleich­zeitig ein tech­nisches Problem innovativ lösen – das gelang chine­sischen Wissen­schaftlern, indem sie verrostete Edelstahl­gewebe direkt zu Elektroden mit hervor­ragenden elektro­chemischen Eigen­schaften machen, die für Kalium­ionen-Akkus ideal sind. Dabei wird der Rost direkt in eine kompakte Schicht einer Gitter­struktur umgewandelt, die gut Kalium­ionen speichern kann. Eine Beschich­tung mit redu­ziertem Graphit­oxid erhöht die Leit­fähigkeit und die Stabi­lität während der Lade-/Entlade-Zyklen.

Die zunehmende Nutzung erneuer­barer Energien erfordert eine effektive Zwischen­speicherung des Stroms im Netz. Lithium­-Ionen-Akkus, bereits breit eingesetzt in trag­baren elek­tronischen Geräten, sind viel­versprechende Kandi­daten. Ein Lithium-Ionen-Akku basiert auf einer Verschiebung von Lithium­ionen. Beim Laden wandern sie zur Graphit-Elektrode, wo sie zwischen den Kohlenstoff­schichten eingelagert werden. Beim Entladen werden sie wieder freigesetzt. Lithium ist jedoch teuer und die Reserven sind begrenzt. Eine Alter­native stellen Natrium-Ionen-Akkus dar.

„Kalium ist ebenso günstig und verfüg­bar wie Natrium, aber Kalium-Ionen-Akkus wären unter elek­trischen Aspekten überlegen“, berichtet Xin-bo Zhang. „Probleme bereitet bisher aller­dings der deutlich größere Radius der Kalium­ionen. Ihr wieder­holtes Einlagern und Freisetzen desta­bilisiert gängige Elektroden­materialien.“ Zhang und das Team von der Chine­sischen Akademie der Wissen­schaften sowie der Jilin-Uni­versität in Changchun fanden eine elegante Lösung indem sie ein Abfall­produkt als Ausgangs­material für neuartige Elektroden wählten: ausge­musterte Edelstahl­gewebe (stainless steel meshes, SSM) aus Filtern und Sieben. Trotz deren exzellenter Bestän­digkeit kommt es unter rauen Bedin­gungen zu einer gewissen Korrosion. Die Metalle lassen sich im Hochofen zwar rückge­winnen, aber das ist ein kosten-, zeit- und energie­aufwändiges Verfahren, das Emissionen verursacht. Zhang sagt: „Nun könnte sich mit der Umwandlung in Elek­troden ein ökologisch und ökonomisch sinn­volleres Recycling auftun.“

Die korro­dierten Gewebe werden in eine Kalium­ferri­cyanid-Lösung getaucht. Dabei lösen sich Eisen-, Chrom- und Nickel­ionen aus der Rost­schicht und bilden mit Ferri­cyanid-Ionen das Komplex­salz Berliner Blau (Prussian Blue, PB), ein tief­blaues Pigment, das sich als gerüst­artige Nanowürfel auf der Ober­fläche der Gewebe ablagert. Kalium­ionen können darin leicht und rasch eingelagert und wieder frei­gesetzt werden. Per Tauch­beschichtung tragen die Forscher anschließend Graphen­oxid auf. Die Schicht schmiegt sich fest an die Nano­würfel.

Bei der folgenden Reduktion wird das Graphen­oxid zu redu­ziertem Graphenoxid (RGO) umgewandelt, Graphit­lagen mit verein­zelten Sauerstoff­atomen. „Die RGO-Be­schichtung verhindert das Klumpen und Ablösen des aktiven Materials. Gleich­zeitig erhöht sie die Leit­fähigkeit deutlich und eröffnet ultra­schnelle Elektronen­transport­wege“, sagt Zhang. In Tests zeigten Knopf­zellen mit den neuen Elektroden ausge­zeichnete Kapa­zitäten, Entlade­spannungen, Entladungs­raten sowie eine heraus­ragende Zyklen­stabi­lität. Da die kosten­günstigen binde­mittel­freien Elek­troden sehr flexibel sind, wären sie für biegsame elek­tronische Geräte geeignet. (Quelle: GDCh / pro-physik.de)

Referenz: Yun-Hai Zhu et al.: Transformation of Rusty Stainless-Steel Meshes into Stable, Low-Cost, and Binder-Free Cathodes for High-Performance Potassium-Ion Batteries, Ang. Chem., online 5. Juni 2017; DOI: 10.1002/ange.201702711

Link: State Key Laboratory of Rare Earth Resource Utilization, Changchun Institute of Applied Chemistry

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