Neuartige Titan-Luft-Batterie erfolgreich getestet

Wissenschaftler des Forschungs­zentrums Jülich haben in Kooperation mit Forschern des 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 vier Elektronen für den Ladungs­transfer abgeben kann und es gleich­zeitig relativ leicht und äußerst wider­stands­fähig ist.

Den Forschern gelang es, das elektro­chemische Potenzial des Metalls mittels einer ionischen Flüssigkeit 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 hohe Lade- und Entlade­ströme von bis zu 0,75 mA/cm² gemessen werden.

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.

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.

FZ Jülich / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  Y. E. Durmus et al.: Breaking the passivity wall of metals: Exempli gratia non-aqueous Ti–air battery, Chem. Eng. J. 461, 141903 (2023); DOI: 10.1016/j.cej.2023.141903
• Grundlagen der Elektrochemie, Institut für Energie- und Klimaforschung, Forschungszentrum Jülich