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Forschungsteam findet Alternative zu herkömmlichen Batterieelektrolyten

Marburg 19.11.2013 (pm/red) Chemikerinnen und Chemiker aus Marburg, Siegen und Rheinstetten haben einen finanziell erschwinglichen, festen Super-Ionenleiter für Lithiumbatterien entwickelt. Das neuartige Material hat eine fast ebenso gute Leitfähigkeit wie der bisherige Rekordhalter, sollte aber wesentlich preisgünstiger herzustellen sein.

Ob Elektroautos oder Strom aus Wind und Sonne – umweltschonende Technologien erfordern Energiespeicherung durch leistungsfähige Batterien. Moderne Lithiumbatterien verwenden zumeist Flüssigelektrolyte mit hoher Ionenleitfähigkeit, das heißt, geladene Teilchen werden in einer Trägerflüssigkeit schnell vom einen Batteriepol zum anderen transportiert. Überhitzung der Elektrolyte kann jedoch zu unerwünschten chemischen Reaktionen führen, bis hin zum Entflammen der Batterie. Insbesondere für die Anwendung in Automobilen wären deshalb nicht-entflammbare Elektrolyte von großem Vorteil.

Eine wichtige Klasse solcher Materialien sind feste Elektrolyte, die nicht nur sicherheitstechnische Vorteile bieten, sondern auch ein platzsparendes Batteriedesign erlauben. Viele feste Lithium-Elektrolyte weisen jedoch eine deutlich niedrigere Leitfähigkeit auf als Flüssigelektrolyte. Zwar stellte eine japanische Arbeitsgruppe vor zwei Jahren einen festen Lithium-Ionenleiter vor, dessen Ionenleitfähigkeit sogar höher ist als diejenige der bisher gebräuchlichen flüssigen Alkylkarbonate. Nachteil ist , dass die Verbindung das Halbmetall Germanium enthält, und Germanium ist ein knapper und teurer Rohstoff.

„Wir haben eine kostengünstige Alternative gefunden“, erklärt Chemieprofessorin Dr. Stefanie Dehnen von der Philipps-Universität, Mitautorin der aktuellen Studie. Auf der Suche nach einer preiswerteren Möglichkeit gelang es dem Team um Dehnen und Professor Dr. Bernhard Roling nämlich, Germanium durch Zinn zu ersetzen.

„Die Lithium-Ionenleitfähigkeit der neuartigen Verbindung entspricht in etwa derjenigen der üblichen Elektrolyte auf Alkylkarbonat-Basis“, erläutert Roling. „Die hohe Leitfähigkeit macht das Material zu einem attraktiven Kandidaten für die Verwendung in Festkörperbatterien“, fasst er die Ergebnisse der Experimente zusammen, mit denen die Wissenschaftler die elektrochemischen Eigenschaften der Verbindung testeten. Dehnen hebt deren ökonomischen Vorzug hervor: „Stellt man die gegenwärtigen Rohstoffpreise in Rechnung, so sollte die Produktion nur etwa ein Drittel dessen kosten, was die Verwendung von Germanium verschlingt.“

Dehnen lehrt an der Philipps-Universität Anorganische Chemie, Roling Physikalische Chemie. Neben den Marburger Arbeitsgruppen waren an der Studie Wissenschaftler der Universität Siegen sowie das Unternehmen Bruker Biospin aus Rheinstetten beteiligt. Das Bundesforschungsministerium förderte die Forschungsarbeiten finanziell im Rahmen des Projekts „Konzeptstudien für neuartige Lithium-Ionen-Zellen auf der Basis von Werkstoffinnovationen“.

Originalveröffentlichung: Philipp Bron & al.: Li10SnP2S12: An Affordable Lithium Superionic Conductor, Journal of the American Chemical Society 135 (42)/2013, pp. 15694–15697, DOI: 10.1021/ja407393y