In seinem vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF geförderten Projekt setzt Engelbert Portenkirchner auf Alternativen zu Lithium in Batterien: Er möchte eine vollorganische Batterie entwickeln, die auf Natrium-Ionen basiert. Das natürliche Vorkommen von Natrium, das immer in Verbindungen, den sogenannten Natrium-Salzen, auftritt und in jedem Haushalt in Form von Speisesalz vorhanden ist, ist viel höher als das von Lithium: Allein ein Liter Meerwasser enthält durchschnittlich 11 Gramm Natrium-Ionen. „Grundsätzlich eignen sich zahlreiche Elemente zur Herstellung einer Batterie. In der Zeit, als Lithium-Ionen-Akkumulatoren entwickelt wurden, liefen deshalb auch erste Versuche mit Natrium-Ionen. Diese sind dann aber aufgrund des schnellen Erfolges der Lithium-Ionen-Akkus rasch in den Hintergrund geraten“, erklärt Portenkirchner.
Passende Trägermaterialien
Um zu funktionieren, braucht eine Batterie zwei Elektroden: eine positiv geladene – die Kathode – und eine negativ geladene – die Anode. Die Ionen bewegen sich beim Laden und Entladen der Batterie zwischen diesen beiden Elektroden hin und her und sorgen so durch ihre Reaktion mit dem Elektrodenmaterial dafür, dass elektrische Ladung aufgenommen und wieder abgegeben werden kann. Grundsätzlich haben Natrium- und Lithium-Ionen sehr ähnliche chemische Eigenschaften – sie sind beide sehr reaktiv, was für die Funktionalität einer Batterie vorteilhaft ist. Natrium-Ionen sind allerdings um einiges größer als Lithium-Ionen, weshalb das derzeit verwendete Elektrodenmaterial nicht mit Natrium-Ionen funktioniert. „Vereinfacht gesagt können die kleinen Lithium-Ionen in das derzeitige Elektrodenmaterial – beim Lithium-Ionen-Akku in der Regel Graphit und ein Lithium-Metalloxid – hineinwandern. Die Natrium-Ionen können dies aufgrund ihres Ionenradius – also ihrer Größe – nicht“, erklärt Portenkirchner. Nachdem die Forschung in den vergangenen Jahren auch in Bezug auf das Elektrodenmaterial große Fortschritte erzielt hat, sieht der Chemiker eine Chance in organischem Elektrodenmaterial. „Neben der hohen theoretischen Speicherdichte bieten organische Materialien Eigenschaften, die mit bisherigen anorganischen Materialien nur schwer erreicht werden können. Sie sind üblicherweise kostengünstig, mechanisch flexibel und idealerweise auch recyclingfähig – eventuell sogar kompostierbar“, so Portenkirchner. Es gibt jedoch auch Probleme zu überwinden, bevor organische Materialien wie halbleitende Polymere erfolgreich als Natrium-Ionen-Speichermaterialien eingesetzt werden können. Zwei große Hürden sind die schlechte elektronische Leitfähigkeit der organischen Materialien und die geringe chemische Stabilität im Batterieelektrolyten. „Hier ist PANI ein besonderes Polymer, da seine elektronischen Eigenschaften über Säure-Basen Chemie beeinflussbar sind, und weil man es elektrochemisch auf dem Stromabnehmer – dem Trägermaterial in Batterien – abscheiden kann“, erläutert der Chemiker. Diese Eigenschaften von PANI in Kombination mit den nanostrukturierten Oberflächen, an denen Universitätsprofessorin Julia Kunze-Liebhäuser am Institut für Physikalische Chemie seit Jahren erfolgreich forscht, stellen eine ideale Kombination für leistungsfähige Na-Ionen Speicherelektroden dar.
Erste Erfolge
Portenkirchners Versuche, bei denen eine dünne Schicht (20-30 Nanometer) von PANI auf Titandioxid-Nanoröhrchen elektrochemisch abgeschieden wurde, zeigten, dass PANI dabei die Speicherung der Natrium-Ionen übernimmt und die Titandioxid-Nanoröhrchen für gute elektronische Leitfähigkeit, Stabilität und eine stark vergrößerte Oberfläche sorgen. „Eine hier verwendete, nur zwei Quadratzentimeter große Elektrode, hat eine aktive Oberfläche von etwa 300 Quadratzentimeter, die für die Natrium-Ionen Speicherung verwendet werden können. Dies erhöht die die Lade- und Entladeraten der Batterie enorm. Wir konnten dies für mehr als 150 Lade- und Entladezyklen in einer Batteriehalbzelle nachweisen“, freut sich Engelbert Portenkirchner über den Erfolg, mit dem die Arbeitsgruppe Material- und Elektrochemie im internationalen Spitzenfeld dieses Forschungsbereichs liegt.