Hochentropie-Oxide (HEO) können Speicherkapazität und Zyklenfestigkeit von wiederaufladbaren Batterien wesentlich verbessern. Dabei handelt es sich um neuartige Materialien, die ihre Stabilität der ungeordneten Verteilung ihrer Elemente verdanken. Das haben Wissenschaftler der Forschungsgruppe „Nanostructured Materials“ um den Nanotechnologie-Experten Horst Hahn am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) gezeigt. Über ihre Arbeit berichten die Forscher in der Zeitschrift Nature Communications (Open Access, DOI: 10.1038/s41467-018-05774-5).
Gemeinsam mit Wissenschaftlern des Helmholtz-Instituts Ulm (HIU) sowie des Indian Institute of Technology Madras zeigten die KIT-Forscher erstmals die Eignung von HEO als Konversionsmaterialien zur reversiblen Lithiumspeicherung. 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 dem KIT zufolge mehr als 500 Ladezyklen ohne signifikanten Kapazitätsverlust überstehen.
Hochentropie-Oxide weisen besondere Eigenschaften auf
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.
Entropie stabilisiert das Material
„Dank der hohen Stabilität, der Interaktionen zwischen den verschiedenen Metallkationen und der Vielzahl der denkbaren Elementkombinationen eröffnen HEO bisher ungeahnte neue Möglichkeiten“, so Professor Hahn. Die nun in Nature Communications präsentierte Studie konzentrierte sich auf HEO auf der Basis von Übergangsmetallen (TM-HEO), die sich durch eine hohe Lithiumionen-Leitfähigkeit auszeichnen. Anhand von Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) untersuchten die Forscher die Struktur der Metalle und ihren Einfluss auf die Konversionsreaktion.
Materialien lassen sich für verschiedene Anforderungen maßschneidern
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“, sagte Hahn. „Um ihr volles Potenzial für Energiespeicheranwendungen zu erschließen, bedarf es allerdings weiterer Forschungsarbeiten.“