Unordnung kann Batterien stabilisieren

Eine nachhaltige Energieversorgung verlangt zuverlässige Energiespeicher. So ist die Nachfrage nach wiederaufladbaren elektrochemischen Energiespeichern für stationäre und mobile Anwendungen in den vergangenen Jahren stark gestiegen und wird zukünftig weiter wachsen. Wichtige Eigenschaften einer Batterie sind unter anderem ihre Speicherkapazität und ihre Zyklenfestigkeit, das heißt die Zahl der ohne Kapazitätsverlust möglichen Lade- und Entladevorgänge.

Dabei verspricht eine völlig neue Klasse von Materialien, die Hochentropie-Oxide (high entropy oxides – HEO), dank ihrer besonderen Stabilität wesentliche Verbesserungen. HEO eröffnen darüber hinaus die Möglichkeit, über eine Änderung ihrer Zusammensetzung elektrochemische Eigenschaften maßzuschneidern.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Institut für Nanotechnologie (INT) und an der Karlsruhe Nano Micro Facility (KNMF) des KIT, am vom KIT in Kooperation mit der Universität Ulm gegründeten Helmholtz-Institut Ulm (HIU) sowie am Indian Institute of Technology Madras haben nun erstmals die Eignung von HEO als Konversionsmaterialiien zur reversiblen Lithiumspeicherung gezeigt.

Konversionsbatterien, die auf elektrochemischer Materialumwandlung basieren, erlauben eine Erhöhung der gespeicherten Energiemenge bei gleichzeitiger Verringerung des Batteriegewichts. Mit HEO fertigten die Wissenschaftler konversionsbasierte Elektroden, die mehr als 500 Ladezyklen ohne signifikanten Kapazitätsverlust überstehen. Ihre Arbeit stellen sie in der Zeitschrift Nature Communications vor.

Die Forschungsgruppe „Nanostructured Materials“ um Professor Horst Hahn, Direktor des INT des KIT, gehört zu den Pionieren der Erforschung von Hochentropie-Oxiden. Von den Karlsruher Forschern stammen einige der noch raren Publikationen über die neuartigen Materialien, die erst seit wenigen Jahren bekannt sind. Die besonderen Eigenschaften der HEO basieren auf Entropiestabilisierung; darin sind sie mit den bereits bekannteren Hochentropie-Legierungen vergleichbar.

Bei entropiestabilisierten HEO handelt es sich um komplexe Oxide, die fünf oder mehr verschiedene Metallkationen in gleicher Menge enthalten und eine einphasige Kristallstruktur aufweisen. Auch wenn die typischen Kristallstrukturen der einzelnen Elemente sich deutlich voneinander unterscheiden, bilden diese ein gemeinsames Gitter, wobei sie sich ohne erkennbare Ordnung auf die Positionen im Kristall verteilen. Diese Unordnung – fachsprachlich als hohe Entropie bezeichnet – stabilisiert das Material, vermutlich unter anderem deshalb, weil sie das Wandern von Fehlern im Kristallgitter erschwert.

„Dank der hohen Stabilität, der Interaktionen zwischen den verschiedenen Metallkationen und der Vielzahl der denkbaren Elementkombinationen eröffnen HEO bisher ungeahnte neue Möglichkeiten“, erklärt Professor Horst Hahn. Die nun in Nature Communications präsentierte Studie konzentrierte sich auf HEO auf der Basis von Übergangsmetallen (transition-metal-based high entropy oxides – TM-HEO), die sich durch eine hohe Lithiumionen-Leitfähigkeit auszeichnen.

Anhand von Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) untersuchten die Forscher die Struktur der TM-HEO und ihren Einfluss auf die Konversionsreaktion. Sie stellten fest, dass die Entfernung nur eines Elements die Entropie herabsetzt und die Zyklenfestigkeit verschlechtert. Jedes einzelne Element wirkt sich individuell auf das elektrochemische Verhalten der TM-HEO aus, sodass sich die Materialien für verschiedene Anforderungen maßschneidern lassen. Mithin ergibt sich ein modularer Ansatz zur systematischen Entwicklung von Elektrodenmaterialien.

„Unsere Studie hat gezeigt, dass entropiestabilisierte HEO sich deutlich von klassischen Konversionsmaterialien abheben“, erklärt Horst Hahn. „Um ihr volles Potenzial für Energiespeicheranwendungen zu erschließen, bedarf es allerdings weiterer Forschungsarbeiten.“

Originalpublikation (Open Access):

Abhishek Sarkar, Leonardo Velasco, Di Wang, Qingsong Wang, Gopichand Talasila, Lea de Biasi, Christian Kübel, Torsten Brezesinski, Subramshu S. Bhattacharya, Horst Hahn & Ben Breitung: High entropy oxides for reversible energy storage. Nature Communications. 2018. DOI: 10.1038/s41467-018-05774-5

Details zum KIT-Zentrum Energie: http://www.energie.kit.edu

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