Ließe sich das Batterieproblem mithilfe von Titandioxid lösen?

Titandioxid könnte eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung neuer, wiederaufladbarer Batterien spielen.

Batterien sind die Zukunft. Sie sind in der Lage, Elektrofahrzeuge anzutreiben und ermöglichen die groß angelegte Speicherung von Energie als Basis für eine nachhaltigere Versorgung. Die Wirtschaftlichkeit dieser und anderer Vorhaben steht und fällt aber mit der Entwicklung leistungsstärkerer, langlebigerer Batterien.

Allerdings lassen sich Batterien mit längerer Lebensdauer und mehr Kapazität nicht mal gerade so aus dem Hut zaubern, da auf dem Weg dahin noch einige Probleme zu meistern sind. Entsprechende Forschungsprojekte sind zwar noch weit von einer kommerziellen Nutzung entfernt, sie haben aber bereits gezeigt, dass Titandioxid für die Zukunft der Batterietechnik eine wichtige Rolle spielen könnte. Das gilt vor allem für wiederaufladbare Batterien.

 

Lithium-Ionen-Batterien

Die meisten Batterien, die für die Speicherung großer Energiemengen (oder zum Wiederaufladen) genutzt werden, sind sogenannte Lithium-Ionen-Batterien.

Dieser Batterietyp speichert und spendet Energie, indem er Ionen zwischen seinem positiven und negativen Pol (Elektroden) hin und her bewegt. Das geschieht mithilfe einer Chemikalie, dem Elektrolyt. Beim Laden der Batterie fließen die Ionen in Richtung der negativen Elektrode. Wird sie dann als Energiequelle genutzt, fließen sie zur positiven Elektrode und erzeugen so einen elektrischen Strom.

In normalen Batterien kann der Prozess der Stromerzeugung nur einmal und in einer Richtung erfolgen. In wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien ist der chemische Vorgang allerdings reversibel, wodurch die Batterie mehrfach verwendet werden kann.

 

Warum Titandioxid?

Titandioxid (TiO2) hat sich auf verschiedene Weise als sehr nützlich erwiesen; als Ersatz für die Elektroden in neuen Batterien bis hin zur Beschleunigung des Ladevorgangs.

„TiO2 hat einige Eigenschaften, die bei wiederaufladbaren Batterien sehr hilfreich sein können“, so Professor Colm O’Dwyer von der irischen Universität Cork, der an eben diesem Thema forscht.

„Zunächst einmal ermöglicht TiO2 eine reversible Reaktion mit Lithium, die im Vergleich zu mit Lithium versetztem Grafit, wie man es in manchen Batterie-Elektrolyten findet, recht stabil ist. Da es diese Eigenschaft zudem über einen sehr langen Zeitraum beibehält, sollten sich so auch die Recyclingzyklen von Batterien entsprechend verlängern lassen.“

Die Möglichkeit, Batterien wiederaufzuladen, wird immer wichtiger, da die Zahl der mobilen elektronischen Geräte stetig weiter zunimmt und weil diese Technologie den Übergang zu erneuerbaren Energieformen unterstützt. So könnten sich durch eine effiziente Speicherung nicht ständig verfügbare Energiequellen wie Wind und Sonnenlicht kontinuierlicher nutzen lassen.

Batterien

 

Nanoröhren-Batterien

2015 entwickelte ein Forscherteam an der Nanyang Technology University (NTU) in Singapur eine Methode, Titandioxid-Nanopartikel in Nanoröhrchen zu transformieren. Diese winzigen Röhrchen mit einem Durchmesser von gerade mal einem Tausendstel eines menschlichen Haares werden durch eine Rührmethode erzeugt, welche die Partikel in Röhrenform dehnt.

Die so produzierten Nanoröhrchen wurden dann in ein Gel eingebettet und statt des herkömmlichen Grafits in der negativen Elektrode einer Lithium-Ionen-Batterie platziert. Das beschleunigte die chemische Reaktion im Elektrolyt und sorgte dafür, dass die Batterie in nur zwei Minuten auf 70 % der ursprünglichen Kapazität aufgeladen werden konnte, bei einer geschätzten Lebensdauer von 20 Jahren. Das bedeutet, dass sich die Batterieabfallmenge drastisch reduzieren ließe.

Während der Nutzung einer Batterie zersetzen sich die in ihr enthaltenen Materialien, was wiederum die Ursache für die schwindende Leistung ist. Aber, wie Professor O’Dwyer und sein Team letztes Jahr entdeckten, blieben die Batteriekomponenten über 5.000 Ladungs- und Entladungszyklen intakt, wenn der Lithium-Ionen-Batterie ein poröses Titandioxid-Material zugesetzt wurde.

„Diese 3D-Anordnung von Nanopartikeln in der Rutilphase von Titandioxid bezeichnet man als „invertierten Opal“. Sie lässt sich durch die Füllung künstlicher, im Labor erzeugter Opale mit dem aktiven Batteriematerial herstellen“, erläutert Professor O’Dwyer.

„Invertierte Opalstrukturen lassen sich auch in der Natur beobachten. Die schillernden Farben von Schmetterlingsflügeln und Pfauenfedern sowie die Färbung der Seemaus und des Exoskeletts von Rüsselkäfern werden durch diese gleichmäßig porösen Strukturen verursacht.“

In einer Batterie zeigt diese poröse TiO2-Variante leitende Eigenschaften, und das auch ohne die normalerweise in kommerziell genutzten Batterieelektroden verwendeten Zusätze.

Zudem reagiert Lithium sehr effizient mit der porösen Struktur, was den Aufladevorgang beschleunigt.

Lithium-Batterien mit TiO2-Anteil werden auch als Lithium-Titanat (LTO)-basierte Lithium-Ionen-Batterien bezeichnet. Neben den Verbesserungen bei der Ladedauer und einer längeren Lebensdauer sind LTO-basierte Batterien auch sicherer, da die einzelnen Komponenten stabiler sind.

Nanodraht-Lithium-Ionen-Batterien

Ein Nanowald von Nanodraht-Lithium-Ionen-Batterien.

 

Die Zukunft von Lithium

Wird die Lithium-Ionen-Batterie zum Auslaufmodell?

Wenn Lithium-Ionen sich von einer Elektrode zur anderen bewegen, wird ein Elektron übertragen. Allerdings experimentieren Forscher mittlerweile auch mit sogenannten multivalenten Metallen, in denen mit jedem Ion zwei oder mehr Elektronen übertragen werden. Diese effizientere Reaktionsart könnte die Speicherkapazität um das Zwei- bis Dreifache steigern helfen.

Das einzige Problem liegt darin, geeignete Materialien für die entsprechenden Batteriekomponenten zu identifizieren.

Im vergangenen September veröffentlichte ein Forscherteam um Dr. Benjamin Morgan von der chemischen Fakultät der englischen Universität Bath Forschungsergebnisse, die aufzeigen, dass sich multivalente Batterien nutzen lassen, wenn man die negative Elektrode durch Titandioxid ersetzt.

Das liegt daran, dass sich mithilfe von Titandioxid absichtlich Fehlfunktionen auslösen lassen. Die so entstehenden „Lücken“ können dann durch multivalente Ionen wie Magnesium oder Aluminium besetzt werden, was bedeutet, dass zwei oder mehr Elektronen gleichzeitig auf die Reise gehen.

Im Bezug auf Batterien heißt das, dass sich durch diese Technologie mehr Energie speichern lässt als in gleichgroßen Lithium-Ionen-Batterien.

„Es sind hier noch einige technische Hürden zu überwinden, wie zum Beispiel Materialien zu finden, die sich als Elektroden für multivalente Ionen eignen“, erläutert Dr. Morgan. „Auf lange Sicht kann der Machbarkeitsnachweis hierzu aber ein wichtiger erster Schritt zu neuen Batterien mit überlegener Performance sein, die bekannte Lithium-Technologien neu definieren werden.“

Abschließend betont Dr. Morgan noch, wie wichtig die Erforschung neuer Batteriematerialien für die verschiedenen Anwendungsbereiche von mobilen Geräten bis zur Netzspeicherung sei, da wir uns „immer weiter von fossilen Brennstoffen entfernen und uns umweltfreundlicheren Energiequellen zuwenden.“

 

Die Zukunft

Ein wichtiger Vorteil der Verwendung von Titandioxid in den Batterien der Zukunft ist die Tatsache, dass das Material im Überfluss vorhanden ist.

Zudem ist „das TiO2 nach der Reaktion mit Lithium in vielen Elektrolyten Zyklus nach Zyklus gleichbleibend stabil, was eine sehr lange Nutzungsdauer ermöglicht“, so O’Dwyer weiter.

Aber es sind noch einige Herausforderungen zu meistern. „TiO2 hat als Anode (positive Elektrode) eine höhere Spannung als das derzeit genutzte Grafit“, merkt O’Dwyer an.

Normalerweise bevorzugt man aber eine niedrigere Spannung, da sich so die Ausgangsleistung der Batterie steigern lässt. „Das ist aber nicht bei allen wiederaufladbaren Batterien nötig, bei manchen Anwendungen ist auch die Dauer des stabilen Betriebs entscheidend.“

Mit anderen Worten: Zwar mag Titandioxid, wenn es denn kommerziell genutzt werden kann, nicht sämtliche Probleme im Bereich der aufladbaren Batterien lösen, aber doch einige davon.

„Für Batterien mit extrem hoher Energiedichte, wie bei E-Fahrzeugen, wäre TiO2 beispielsweise nicht die beste Wahl“, so Professor O’Dwyer abschließend.

Aber er merkt dennoch an, dass Titandioxid für Batterien „in Anwendungsbereichen, in denen es vor allem auf die Lebensdauer ankommt, wie in Laptops und Smartphones, großen Nutzen bieten könnte.“