Titannitrid und Polypyren – Königsweg?

Neue Materialien für nachhaltige Billigbatterien

Für die Energiewende braucht es Technologien, um Strom aus erneuerbaren Energiequellen kostengünstig zwischenzuspeichern. Eine vielversprechende neue Möglichkeit sind Aluminiumbatterien mit neuem leitendem Material und neuem Elektrodenmaterial – Titannitrid und Polypyren – billige und in großen Mengen vorkommende Rohstoffe. Sie könnten den Weg für kostengünstige Batterien bereiten.

[note Im Labor hergestellte Aluminium-Knopfbatterien: Das Batteriegehäuse ist aus Edelstahl und innen mit Titannitrid beschichtet, um es korrosionsbeständig zu machen. (Foto © ETH Zürich / Kostiantyn Kravchyk)]

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 Photovoltaik beheimatet ist. Die Forscher haben zwei neue Materialien gefunden, welche die Entwicklung von Aluminiumbatterien entscheidend weiterbringen könnten: Einerseits ein korrosionsbeständiges Material für die leitenden Teile der Batterie, andererseits ein neuartiges Material für ihren Pluspol, das an vielfältige technische Anforderungen angepasst werden kann.

*) Die Empa ist das interdisziplinäre Forschungsinstitut des ETH-Bereichs für Materialwissenschaften und Technologieentwicklung.

[note Funktionsschema der Aluminiumbatterien der Forschenden von ETH Zürich und Empa. (Quelle und © Walter M et al. Advanced Materials 2018, bearbeitet)]

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 mit 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.

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 ist 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”, so Kovalenko.

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