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Jun 09, 2023

Forscher testen erfolgreich ein neuartiges Titan

Metall-Luft-Batterien sind eine wichtige Entwicklungslinie als vielversprechende Energiequelle

Metall-Luft-Batterien sind eine wichtige Entwicklungslinie als vielversprechende Energiespeichergeräte von der Elektronik mit geringem Stromverbrauch bis hin zu Großanwendungen. Diese Batterien versprechen eine sehr hohe theoretische Energiedichte, Umweltfreundlichkeit, Kosteneffizienz und Sicherheit.

Unter den verschiedenen möglichen Anodenkandidaten für Metall-Luft-Batterien standen vor allem Zink, Aluminium, Eisen und Silizium im Fokus der Forschung. Andererseits wurde Titan kaum als aktives Material angesehen und experimentelle Ergebnisse lagen noch nicht vor.

Nun ist es Forschern des Forschungszentrums Jülich gelungen, eine neuartige Titan-Luft-Batterie (Ti-Luft-Batterie) zu entwickeln und im Labor zu testen. Die Batterie wird in Zusammenarbeit mit Forschern des Technion – Israel Institute of Technology in Haifa entwickelt.

Metall-Luft-Batterien eignen sich besonders für Anwendungen, bei denen es auf eine kompakte Größe ankommt, und in großen stationären Speichersystemen, die kostengünstige, gängige und ungiftige Materialien verwenden. Obwohl Titan als teures Material bekannt ist, ist es hinsichtlich der Materialkosten viel günstiger als Lithium, aber teurer als Aluminium. Das Metall ist das neunthäufigste Material in der Erdkruste, entsprechend reichlich sind die verfügbaren Ressourcen.

Darüber hinaus ist Titan als Stromspeichermaterial interessant, da jedes Atom bis zu vier Elektronen zur Ladungsübertragung abgeben kann und gleichzeitig relativ leicht und äußerst widerstandsfähig ist.

In einer neuartigen nichtwässrigen primären Ti-Luft-Batterie gelang es den Forschern, deren elektrochemisches Potenzial zur Speicherung elektrischer Energie zu nutzen, indem sie bei Raumtemperatur eine ionische Flüssigkeit mit 1-Ethyl-3-methylimidazolium-oligofluorhydrogenat (EMIm(HF)2.3F) einsetzten. Ionische Flüssigkeiten bestehen aus Salzen mit einem atypischen, sehr niedrigen Schmelzpunkt, die aufgrund ihrer besonderen elektrischen und stofflichen Eigenschaften vielfältige Anwendungen finden.

Theoretisch haben Titan-Luft-Batterien die zwei- bis dreimal höhere Energiedichte als Zink-Luft-Batterien, die heute als Standard-Knopfzellen in Hörgeräten, Steuermodulen und Sensoren verwendet werden. Die theoretisch erreichbare Spannung der Titan-Luft-Batterie liegt in einem ähnlichen Bereich wie die von Zink-Luft-Batterien. In Experimenten konnte die Ti-Luft-Batterie erfolgreich mit relativ hohen Entladeströmen von bis zu 0,75 mA cm−2 und einer durchschnittlichen Zellspannung von bis zu 1,2 Volt betrieben werden, was zu einer Entladekapazität von bis zu 66 mAh cm−2 führte.

Forscher sagen, dass eine solche Metallbatterie, wenn ihr volles Potenzial ausgeschöpft wird, das einzigartige Potenzial hat, das einzige Metall zu sein, bei dessen Entladung vier Elektronen übertragen werden.

Zeitschriftenreferenz: