Neue Materialien für die Batterien der Zukunft

Die Entwicklung von wiederaufladbaren Lithium(Li)-Wasser- und Lithium-Luft- bzw. Lithium-Sauerstoff-Batterien ist ein wichtiges Forschungsziel, denn diese Batterietypen haben eine mindestens 10 bis 30 Mal höhere theoretische Energiedichte (~5-12 kWh/kg) als herkömmliche wiederaufladbare Energiespeichersysteme (~0,4 kWh/kg). Sie rücken somit in die Nähe von Benzin (13 kWh/kg). Zudem besitzen Lithium-Metall-Batterien eine höhere spezifische Energiedichte (3800 Ah/kg) als andere Metall-Sauerstoff-Batterien (Zn: 820 Ah/kg und Al: 2900 Ah/kg). Die Herausforderung liegt in einem wiederaufladbaren und sicheren Betrieb. Ausserdem können bei extremen pH-Werten technische Probleme wie das Blockieren der Membran auftreten.

Ziel der Forschungskooperation war die Entwicklung einer neuen Generation von sicheren, wiederaufladbaren Li-Luft- (und Li-Wasser-) Batterien, die sich als autarke Speichersysteme eignen und eine höhere Energiedichte liefern. Es sollten stabile und sichere nicht-wässrige und wässrige Elektrolyte entwickelt werden, dazu neue Kathodenmaterialien, die auch bei hohen pH-Werten stabil sind und keine Verstopfung der Membranen zur Folge haben, sowie ein umfassendes Batterieprotokoll.

Die neuen Kronenether-basierten ionischen Flüssigkeiten sind aufgrund ihrer Eigenschaften den am Markt erhältlichen Elektrolyten überlegen. Sie weisen eine höhere Kationen-Transferzahl (>0,5) auf als die erhältlichen Elektrolyte (0,3–0,4). Dank ihrer Eigenschaften wie hohe Ionenleitfähigkeit, hohe thermische und chemische Stabilität, Nicht-Entflammbarkeit und gute elektrochemische Stabilität dürften sie zudem sicherer sein. Bei den optimierten pH-kontrollierten wässrigen Elektrolyten trat an der Kathode keine Verstopfung auf, und es konnte eine reversible Redoxreaktion in Sauerstoff festgestellt werden.

Aufgrund der systematischen Untersuchung der lamellenartigen MoS2-Membran versteht man nun die ausgeprägte Stabilität von MoS2 auch in rauen wässrigen Milieus. Daher könnte sich dieses Material für den Einsatz in Elektrolytlösungen mit einer grossen Bandbreite von pH-Werten eignen. Durch die Einführung von Kanten lässt sich die Wasserstoffentwicklung zusätzlich steigern, was zu einer Leistungsverbesserung der Lithium-Wasser-Batterien führen würde. Dank der vielversprechenden katalytischen Aktivität des MoS2 wurde eine stabile Versorgungsspannung von >2,2V über mehr als 2,5 Tage erzielt. Das neuartige MoS2-basierte Material ist vielversprechend für den Bau einer Reihe neuer Systeme für die Energieumwandlung und -speicherung.

Bedeutung für die Forschung

Bei der systematischen Untersuchung einer lamellenartigen MoS2-Membran konnten erstmals Eigenschaften wie die Stabilität, die Molekülsiebung und die selektive Diffusion des lamellenförmigen Membranmaterials bestätigt werden. Ausserdem hat die Studie zu einem besseren Verständnis der molekularen Transportprozesse in 2D-Kanälen in einer wässrigen Umgebung beigetragen. Darüber hinaus hat die katalytische Aktivität von MoS2 bei der Wasserstoffgeneration erstmals interessante Entwicklungsperspektiven für Lithium-Wasser-Batterien und eine mögliche Anwendung bei der Umwandlung und Speicherung von Energie aufgezeigt. Ausserdem haben die Forschenden eine neue Verbindungsklasse – Kronenether-basierte ionische Flüssigkeiten – als neue und sehr vielversprechende Elektrolyte, die bis zu 380 °C stabil bleiben, nicht entflammbar sind und eine hervorragende Ionenleitfähigkeit bieten, etabliert.

Bedeutung für die Praxis

Ein einfaches Verfahren zur Herstellung der MoS2-Membran ohne Additive oder Verdickungsmittel würde die Massenproduktion erleichtern. Dank ihrer nachgewiesenen Stabilität in einer rauen wässrigen Umgebung lassen sich die MoS2-Lamellen wahrscheinlich mit einer Vielzahl von Elektrolyten, die in Energieumwandlungs- und -speichereinheiten vorliegen können, einsetzen. Mit dem erfolgreichen Bau einer Lithium-Wasser-Batterie könnte schliesslich der Weg zu einem Energie- und Wasserstoff (H2)-Versorgungssystem geebnet werden, beispielsweise mit einem Generator für reinen Wasserstoff für Brennstoffzellen.

Die neu entwickelten ionischen Flüssigkeiten lassen sich dank ihrer steuerbaren Struktur mit nur geringen Anpassungen in unterschiedlichsten Alkali-Metall-Batterien einsetzen. Aufgrund ihrer hohen Li+-Ionenleitfähigkeit und breiten elektrochemischen Stabilität sind sie im besten Fall nicht nur in Lithium-Sauerstoff-Batterien, sondern auch in modernen Lithium-Ionen-Batterien verwendbar.

New rechargeable metal-water and metal-air batteries: fundamental science & feasibility