Die beste Lösung

Gerüst für neue Speicher

4. Oktober 2018 Energieversorgung von morgen

Dass sich es auszahlt, den Kontakt zu internationalen Partnern zu pflegen und sich regelmäßig auszutauschen, zeigt das Beispiel von Helmut Cölfen von der Universität Konstanz und Minghua Huang von der Ocean University of China in Qingdao. Der Deutsche und die Chinesin arbeiten an neuen Elektroden für Batterien, etwa für Brennstoffzellen oder Metall-Luft-Batterien.

Feststoffbatterien gelten als zukünftige Energiespeicher für Elektroautos. Dafür gilt es aber zu klären, wie der Ionentransport funktioniert und welche Wechselwirkungen mit anderen Komponenten vonstattengehen.

Bei diesen Batterien wird mittels elektrochemischer Reaktionen elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt – beziehungsweise umgekehrt. Die wichtigen Prozesse laufen an der Elektrode einer Batterie ab und sollen nahezu verlustfrei und sehr effektiv sein, um möglichst viel Energie zu speichern oder aus der Batterie herauszuholen. Solche Speichertechniken gelten als wichtige Kandidaten für die Energieversorgung von morgen. Allerdings: „Die Materialien, die uns heute zur Verfügung stehen, können das noch nicht so gut oder sie sind zu teuer, wie zum Beispiel Platin, das heute für Elektroden in Brennstoffzellen verwendet wird", erläutert Helmut Cölfen. Die Elektrochemikerin Minghua Huang experimentierte mit Metalloxiden, die als potenzielle Ersatzkandidaten für Platin gelten. Doch es gab Probleme: Die Metalloxide bildeten stets Klumpen, was sich negativ auf die elektro­chemischen Reaktionen auswirkte. Bei einem Treffen erzählte sie Cölfen, den sie seit über zehn Jahren aus ihrer gemeinsamen Zeit am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam-Golm gut kennt, davon. „Meine spontane Idee war: Lass es uns mit Mesokristallen aus Metalloxiden versuchen", berichtet Cölfen, der als einer der führenden Experten für Mesokristalle gilt. Mesokristalle haben eine Struktur, die aus kleinen, pa­rallel ausgerichteten Nanopartikeln besteht. „Ein Mesokristall wäre hier wie eine Art Stützgerüst mit hoher innerer Oberfläche für die elektrochemischen Reaktionen, das wir aus einem Metalloxid aufbauen", erläutert Cölfen. „Das Gerüst fixiert die Metalloxidpartikel, sodass diese nicht mehr verklumpen können – ein neuer Ansatz und die Chance, künftig etwa Brennstoffzellen kostengünstiger herzustellen."

Unterstützt mit einer von der DFG und ihrer chinesischen Partnerorganisation National Natural Science Foundation of China (NSFC) geförderten Sachbeihilfe haben die beiden Forscher 2017 die Arbeit an der „Controlled Synthesis of Transition Metal Oxide Mesocrystals on Graphene Oxide and the Application in Electrocatalysis" aufgenommen. „Unsere erste Aufgabe ist es, einen passenden Mesokristall aufzubauen", sagt Cölfen. Dazu sind eine Reihe von Fragen zu klären. Lässt man beispielsweise Eisenoxid-Nanopartikel auf einer Oberfläche gezielt ausgerichtet wachsen oder stabilisiert man sie in einer Lösung? Wie bekommt man Elektronen oder Strom in das Kristall hinein und aus ihm heraus – mit einem weiteren Leiter oder mithilfe einer zusätzlich eingebauten leitfähigen Substanz wie etwa Graphen? „Wir werden verschiedene Varianten ausprobieren, um zu verstehen, wie sich solche Mesokristalle bilden und welche Parameter wir ändern müssen, um den gewünschten Kristall zu bekommen", erläutert Cölfen. „Am Ende müssen wir natürlich vergleichen, ob Elektroden mit Mesokristallen die gleiche Leistung bringen wie Platin-Elektroden und ob sie auch dauerhaft halten."

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