Neue Material­chemie für Hoch­leis­tungs­batte­rien

Wieder aufladbare kleine Lithium-Ionen-Batterien begegnen uns auf Schritt und Tritt: Im Handy, in Kameras, Radios und nahezu allen portablen elektrischen Geräten. Lithium ist einerseits ein sehr reaktives Material und damit gut geeignet für Batterien, da man eine hohe Spannung erzeugen kann. Andererseits liegt in dieser Eigen­schaft aber auch die Gefahr: Die Batterien müssen vollkommen luftdicht abgedichtet sein, damit es nicht zu explosiven Zwischenfällen kommt.

Prof. Dr. Peter Strasser (r.) mit seinem Doktoranden Toshinari Koketsu beim Zusammenbau von Batterien (Bild: TUB / C. Kielmann)

„Für kleine portable Anwendungen sind Lithium-Ionen-Batterien heute noch erste Wahl“, weiß Peter Strasser, Professor für technische Chemie an der TU Berlin, „aber die Sicherheits­risiken von Lithium-Ionen-Batterien bei großen Batteriespeichern, wie wir sie für eine Energiewende hin zu regenerativen Energien benötigen, machen ihre lang­fristige Verwendung zu einer enormen Heraus­forderung.“

Schon seit längerem arbeiten Wissenschaft­lerinnen und Wissenschaftler deshalb an Alternativen, die auf Magnesium oder Aluminium beruhen. „Diese Metalle sind preiswerter und können sicherer an der Luft gelagert werden – diese größere Sicherheit bezahlt man allerdings mit einer geringeren Spannung. Dafür stellen diese Ionen nicht wie Lithium nur eine, sondern zwei beziehungsweise drei positive Ladungen zur Verfügung und erlauben daher eine viel dichtere Speicherung von elektrischer Ladung – was gerade für große kompakte Batterie­speicher sehr wichtig ist“, so Strasser.

Das Problem: Die zwei- und dreiwertig geladenen Ionen ließen sich bisher sehr viel schlechter so in ein Wirts­material (Elektroden­material) einlagern, dass sie anschließend reversibel zwischen den Elektroden ausgetauscht werden können. „Toshinari Koketsu ist es jetzt gelungen, diese Ionen reversibel in eine chemisch modifizierte Form des weißen Farb­pigments Titan­oxid einzulagern. Das Titan­oxid wurde dabei zunächst von unseren Kooperations­partnern an der Sorbonne mit Fluorid-Ionen dotiert. Das bedeutet, dass Fluorid-Ionen in der Gitter­struktur des Titan­oxids einen Teil der Sauerstoff-Ionen ersetzen, dabei einige der positiv geladenen Titan-Ionen ausstoßen und so eine Art ‚Loch’ oder Fehlstelle in dem Gitter produzieren. Es zeigt sich, dass diese Fehlstellen, ideale Einlagerungs­stellen für positiv geladene Magnesium- oder Aluminium-Ionen sind.“

In mehreren Versuchsreihen konnten die Wissenschaftler jetzt erstmalig beweisen, dass die reversible Einlagerung der Aluminium- und Magnesium-Ionen über mehrere hundert Zyklen stabil funktioniert und dabei hohe Ladungs­kapazitäten zeigt. „Damit konnten wir zeigen, dass Fluorid-dotierte Oxid­materi­alien mit speziellen Fehlstellen tatsächlich eine grundlegend neue Batteriechemie mit Magnesium- und Aluminium-Ionen ermöglichen, die von funda­mentaler wie praktischer Bedeutung sein wird“, so Strasser.

Eine Technik von übermorgen: „Wir werden auch zukünftig noch verschie­dene Batterie­typen nutzen. Im Moment ist die Lithium-Ionen-Batterie die preis­werteste und beste Methode für viele Anwendungen. Parallel dazu arbeiten die Wissenschaftler an Lithium-Schwefel-Batterien, die auch von der Automobil­industrie mit Interesse verfolgt werden. Die Aluminium-/Magnesium-Ionen-Batterie ist eher eine Technik von übermorgen, für Anwen­dungen die zum Beispiel sehr auf Sicherheit fokussiert sind.“ (Quelle: TU Berlin)

Referenz: T. Koketsu et al.: Reversible magnesium and aluminium ions insertion in cation-deficient anatase TiO2, Nat. Mater. 16,1142–1148; DOI: 10.1038/nmat4976

Link: Fachgebiet Elektrochemische Katalyse und Materialien – ECEMS-Gruppe (P. Strasser), Technische Chemie, Institut für Chemie, Technische Universität Berlin

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