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Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich haben in Kooperation mit Forschern der technischen Universität Israels, dem Technion in Haifa, eine neuartige Titan-Luft-Batterie gebaut und erfolgreich im Labor getestet. Erstmals werden damit experimentelle Ergebnisse zu einer solchen Batterie veröffentlicht, in der Titan als aktives Material verwendet wird. Das Metall weckt als Stromspeicher Interesse, weil jedes Atom bis zu 4 Elektronen für den Ladungstransfer abgeben kann und es gleichzeitig relativ leicht und äußerst widerstandsfähig ist.
Wissenschaftliches Ergebnis
Titan ist als passiver, stabiler Werkstoff bekannt. Den Forschern gelang es, das elektrochemische Potenzial des Metalls mittels einer ionischen Flüssigkeit mit der Bezeichnung EMIm(HF)2.3F für die Speicherung elektrischer Energie nutzbar zu machen. Ionische Flüssigkeiten sind Salze mit einem untypischen, sehr niedrigen Schmelzpunkt, die aufgrund ihrer besonderen elektrischen und stofflichen Eigenschaften bei verschiedenartigen Anwendungen zum Einsatz kommen.
Titan-Luft-Batterien verfügen theoretisch über eine zwei- bis dreimal so hohe Energiedichte wie Zink-Luft-Batterien, die heute standardmäßig als Knopfzelle in Hörgeräten, Steuermodulen und Sensoren eingesetzt werden. Die theoretisch erzielbare Spannung liegt in einem ähnlichen Bereich wie die von Zink-Luft-Batterien. Im Experiment konnten eine durchschnittliche Zellspannung von bis zu 1,2 Volt sowie relativ hohe Lade- / Entladeströme von bis zu 0,75 mA/cm-2 gemessen werden.
Gesellschaftliche und wissenschaftliche Relevanz
In Metall-Luft-Batterien reagiert das enthaltene Metall mit dem Sauerstoff in der Luft, um elektrische Energie freizusetzen. Der Batterietyp nimmt damit unter den Batterien eine Sonderstellung 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 gängigen Batterietypen.
Aus diesem Grund eignen sich Metall-Luft-Batterien insbesondere für Anwendungen, bei denen es auf eine kompakte Bauform ankommt. Eine weitere, perspektivische Anwendung sind großskalige stationäre Speicher, bei denen kostengünstige, häufig vorkommende und ungiftige Materialien zum Einsatz kommen. So ist Titan, obwohl es als teurer Werkstoff bekannt ist, von den Materialkosten her um ein Vielfaches günstiger als Lithium, allerdings teurer als Aluminium. In der Liste der am häufigsten in der Erdkruste vorkommenden Stoffe steht Titan an 9. Stelle. Entsprechend reichhaltig sind die vorhandenen Ressourcen.
Weitere Details
Als Anodenmaterial für Metall-Luft-Batterien stehen vor allem Zink, Aluminium, Eisen sowie Silizium für Silizium-Luft-Batterien im Fokus der Forschung. Titan wurde dagegen kaum als aktives Material in Betracht gezogen, experimentelle Ergebnisse lagen bislang nicht vor.
Die Entwicklung des neuen Batteriekonzepts erfolgte in enger Zusammenarbeit zwischen Dr. Emre Durmus, der am von Prof. Dr. Rüdiger-A. Eichel geleiteten Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-9) forscht, und Prof. Yair Ein-Eli vom israelischen Technion, der im Rahmen der Umbrella-Kooperation des Forschungszentrums Jülich, des Technions und der RWTH Aachen University ein siebenmonatiges Sabbatical am IEK-9 verbracht hat.
Dr. Yasin Emre Durmus
Forschungszentrum Jülich, Institut für Energie- und Klimaforschung, Grundlagen der Elektrochemie (IEK-9)
Tel.: 02461 61-96667
E-Mail: y.durmus@fz-juelich.de
Prof. Dr. Rüdiger-A. Eichel
Forschungszentrum Jülich, Institut für Energie- und Klimaforschung, Grundlagen der Elektrochemie (IEK-9)
Tel: 02461 61-5124
E-Mail: r.eichel@fz-juelich.de
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, DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.141903
https://www.fz-juelich.de/de/aktuelles/news/highlights/2023/forscher-testen-neua... Meldung des Forschungszentrums Jülich
Titan-Luft-Batterie
Ralf-Uwe Limbach
Forschungszentrum Jülich / Ralf-Uwe Limbach
Schematischer Aufbau der Titan-Luft-Batterie
Marcel Kaltenberg
Forschungszentrum Jülich / Marcel Kaltenberg
Criteria of this press release:
Journalists
Chemistry, Electrical engineering, Energy, Materials sciences, Physics / astronomy
transregional, national
Research results, Scientific Publications
German
Titan-Luft-Batterie
Ralf-Uwe Limbach
Forschungszentrum Jülich / Ralf-Uwe Limbach
Schematischer Aufbau der Titan-Luft-Batterie
Marcel Kaltenberg
Forschungszentrum Jülich / Marcel Kaltenberg
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