Forscher testen neuartiges Titan

Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich haben in Zusammenarbeit mit Forschern des Technion – Israel Institute of Technology in Haifa eine neuartige Titan-Luft-Batterie entwickelt und erfolgreich im Labor getestet. Dies ist das erste Mal, dass experimentelle Ergebnisse einer solchen Batterie veröffentlicht wurden, bei der Titan als aktives Material verwendet wird. Das Metall ist als Stromspeichermaterial interessant, weil jedes Atom bis zu vier Elektronen zur Ladungsübertragung abgeben kann und gleichzeitig relativ leicht und äußerst widerstandsfähig ist.

Titan-Luft-Batterie

Forschungszentrum Jülich / Ralf-Uwe Limbach

Skizze der Titan-Luft-Batterie

Forschungszentrum Jülich / Marcel Kaltenberg

Titan gilt als passives, stabiles Material. Durch den Einsatz einer ionischen Flüssigkeit namens EMIm(HF)2.3F gelang es den Forschern, sein elektrochemisches Potenzial zur Speicherung elektrischer Energie zu nutzen. Ionische Flüssigkeiten bestehen aus Salzen mit einem atypischen, sehr niedrigen Schmelzpunkt, die aufgrund ihrer besonderen elektrischen und stofflichen Eigenschaften vielfältige Anwendungen finden.

Titan-Luft-Batterien haben theoretisch die zwei- bis dreimal höhere Energiedichte als Zink-Luft-Batterien, die heute als Standard-Knopfzellen in Hörgeräten, Steuermodulen und Sensoren eingesetzt werden. Die theoretisch erreichbare Spannung der Titan-Luft-Batterie liegt in einem ähnlichen Bereich wie die von Zink-Luft-Batterien. In Experimenten konnten eine durchschnittliche Zellspannung von bis zu 1,2 Volt und relativ hohe Entladeströme von bis zu 0,75 mA cm-2 gemessen werden.

In Metall-Luft-Batterien reagiert das enthaltene Metall mit dem Luftsauerstoff unter Freisetzung elektrischer Energie. Damit nimmt dieser Batterietyp eine Sonderstellung unter den Batterien ein, da einer der beiden Reaktionspartner, Sauerstoff, über eine spezielle Elektrode aus der Umgebungsluft gewonnen wird und nicht in der Batterie vorgehalten werden muss. Daher lassen sich mit diesen Systemen zumindest theoretisch deutlich höhere Energiedichten realisieren als mit herkömmlichen Batterietypen.

Aus diesem Grund eignen sich Metall-Luft-Batterien besonders für Anwendungen, bei denen es auf eine kompakte Größe ankommt. Ein weiterer potenzieller Anwendungsbereich sind große stationäre Speichersysteme, die kostengünstige, gängige und ungiftige Materialien verwenden. Beispielsweise ist Titan, obwohl es als teures Material bekannt ist, hinsichtlich der Materialkosten deutlich günstiger als Lithium, aber teurer als Aluminium. Titan ist das neunthäufigste Material in der Erdkruste, entsprechend reichlich sind die verfügbaren Vorkommen vorhanden.

Anodenmaterialien für Metall-Luft-Batterien, Zink, Aluminium, Eisen und Silizium für Silizium-Luft-Batterien stehen im Mittelpunkt der Forschung. Titan hingegen wird kaum als aktives Material in Betracht gezogen und experimentelle Ergebnisse liegen noch nicht vor.

Die Entwicklung des neuen Batteriekonzepts erfolgte in enger Zusammenarbeit zwischen Dr. Yasin Emre Durmus vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-9) unter der Leitung von Professor Rüdiger-A. Eichel und Professor Yair Ein-Eli vom Technion, die im Rahmen der Dachkooperation zwischen dem Forschungszentrum Jülich, dem Technion und der RWTH Aachen ein siebenmonatiges Sabbatical am IEK-9 verbrachten.

Yasin Emre Durmus, Marcel Kaltenberg, Krzysztof Dzieciol, Maximilian Schalenbach, Danny Gelman, Boris Shvartsev, Hermann Tempel, Hans Kungl, Rüdiger-A. Eichel, Yair Ein-Eli; Breaking the passivity wall of metals: Exempli gratia non-aqueous Ti–air battery: Chemical Engineering Journal, Volume 461, 2023

Neue Batterietechnologien haben das Potenzial, die Kosten für die Energiespeicherung deutlich zu senken

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