Titandioxid (TiO2) könnte eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung der nächsten Generation von wiederaufladbaren Batterien spielen.
Batterien sind die Zukunft. Von der zunehmenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen bis hin zur Speicherung von Energie im Netzmaßstab, um den Übergang zu mehr erneuerbarer Energie zu ermöglichen, war der Bedarf an besseren und langlebigeren Batterien noch nie so groß.
Die Entwicklung solcher Batterien mit längerer Lebensdauer und größerer Kapazität ist nicht einfach, und es sind noch einige Probleme zu lösen. Die Forschung hat gezeigt, dass Titandioxid eine wichtige Rolle in der Zukunft der Batterien, insbesondere der wiederaufladbaren Batterien, spielen könnte, auch wenn es noch lange keine Lösung für den kommerziellen Einsatz ist.
Lithium-Ionen-Batterien
Die meisten Batterien, die zur Speicherung großer Energiemengen verwendet werden oder wiederaufladbar sein sollen, sind Lithium-Ionen-Batterien.
Diese Batterien speichern und geben Energie ab, indem sie Ionen zwischen den negativen und positiven „Enden“ (Elektroden) durch eine Chemikalie namens Elektrolyt bewegen. Wenn Sie die Batterie aufladen, bewegen sich die Ionen zur negativen Elektrode. Wenn die Batterie benutzt wird, fließen die Ionen zur positiven Elektrode und erzeugen einen elektrischen Strom.
In normalen Batterien kann der Prozess, der zur Erzeugung einer elektrischen Ladung führt, nur einmal und nur in eine Richtung stattfinden. Bei wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien hingegen ist der chemische Prozess umkehrbar, so dass die Batterie wieder verwendet werden kann.
Warum Titandioxid?
Vom Ersatz der Elektroden in neuen Batterien bis hin zur Beschleunigung des Ladevorgangs hat sich Titandioxid (TiO2) in vielerlei Hinsicht als nützlich erwiesen.
„Es gibt einige Eigenschaften von TiO2, die für wiederaufladbare Batterien nützlich sind“, sagt Professor Colm O’Dwyer von der Universität Cork, Irland, der zu diesem Thema geforscht hat.
„Erstens ermöglicht es eine reversible Reaktion mit Lithium, die im Vergleich zu lithiumhaltigem Graphit, der in verschiedenen Batterieelektrolyten enthalten ist, relativ stabil ist. Da es sehr lange zyklisch eingesetzt werden kann, trägt es möglicherweise dazu bei, die Notwendigkeit des Recyclings von Batterien zu verringern.
Die Möglichkeit, Batterien wieder aufzuladen, wird immer wichtiger für die wachsende Zahl mobiler elektronischer Geräte und auch für die Umstellung auf erneuerbare Energien, bei denen die schwankende Erzeugung von Sonnen- oder Windenergie durch effiziente Energiespeicherung ausgeglichen werden kann.
Nanoröhren-Batterien
Im Jahr 2015 entwickelte ein Forscherteam der Nanyang Technology University (NTU) in Singapur eine Methode, um Titandioxid-Nanopartikel durch Rühren in Nanoröhrchen umzuwandeln. Diese winzigen Röhrchen, die nur ein Tausendstel so breit sind wie ein menschliches Haar, werden durch ein Rührverfahren erzeugt, das die Partikel in eine Röhrenform bringt.
Ein Gel, das die Nanoröhrchen enthält, wurde anstelle des herkömmlichen Graphits in die negative Elektrode einer Lithium-Ionen-Batterie gegeben. Dadurch wurde die chemische Reaktion im Elektrolyten beschleunigt und eine Batterie geschaffen, die in nur zwei Minuten auf 70 Prozent ihrer Kapazität aufgeladen werden kann, bei einer erwarteten Lebensdauer von 20 Jahren. Dies bedeutet, dass der Abfall von Batterien drastisch reduziert werden könnte.
Bei der Verwendung von Batterien beginnen die darin enthaltenen Materialien zu zerfallen, was zu einer Verringerung der Leistung führt. Als Professor O’Dwyer und sein Team 2015 eine poröse Version von Titandioxid zu einer Lithium-Ionen-Batterie hinzufügten, blieben die Batteriematerialien jedoch nach mehr als 5 000 Lade- und Entladevorgängen intakt.
„Diese 3D-Anordnung von Nanopartikeln der Rutilphase des Titandioxids wird als ‚inverser Opal‘ bezeichnet und entsteht durch das Auffüllen von im Labor hergestellten künstlichen Opalen mit dem aktiven Batteriematerial“, sagt Professor O’Dwyer.
„Umgekehrte Opalstrukturen kommen in der Natur vor. Diese periodisch porösen Strukturen bilden die farbenfrohen, schillernden Teile von Schmetterlingsflügeln, Pfauenfedern, die Exo-Skelettstrukturen von Rüsselkäfern und der Seemaus, um nur einige zu nennen.“
In einer Batterie ist die poröse Version des Titandioxids leitfähig, ohne dass die derzeit in kommerziellen Batterieelektroden verwendeten Zusatzstoffe benötigt werden.
Darüber hinaus reagiert Lithium effizient mit der porösen Struktur, so dass sich die Batterie schnell auflädt.
Lithiumbatterien, die TiO2 enthalten, können als Lithium-Titanat (LTO)-basierte Lithium-Ionen-Batterien bezeichnet werden. Neben der verbesserten Aufladung und der längeren Lebensdauer sind Lithiumbatterien auf LTO-Basis auch sicherer, da die Batteriebestandteile stabiler sind.
A nanoforest of nanowire lithium-ion batteries.
Mehr als Lithium
Aber es geht nicht nur um Lithium-Ionen.
Wenn ein Lithium-Ion den Weg von einer Elektrode zur anderen findet, wird ein Elektron übertragen. Die Forscher haben jedoch begonnen, mit anderen Metallen zu experimentieren, den so genannten mehrwertigen Metallen, bei denen zwei oder mehr Elektronen für jedes Ion übertragen werden. Die effizientere Art der Reaktion könnte die Batteriespeicherung um das Zwei- bis Dreifache erhöhen.
Das einzige Problem besteht darin, herauszufinden, welche Art von Materialien für die Komponenten dieser Batterien verwendet werden sollten.
Eine im September 2015 veröffentlichte Forschungsarbeit eines Teams um Dr. Benjamin Morgan vom Fachbereich Chemie der Universität Bath (England) ergab, dass eine multivalente Batterie funktionieren kann, wenn die negative Elektrode durch TiO2 ersetzt wird.
Dies liegt daran, dass das TiO2 so angepasst werden kann, dass es absichtlich Defekte einführt, die Ionen wie Magnesium und Aluminium (mehrwertige Ionen) einen Platz bieten, den sie füllen können, indem sie jedes Mal mehr als ein Elektron übertragen.
Dies hat zur Folge, dass eine Batterie mehr Energie speichern kann als eine Lithium-Ionen-Batterie gleicher Größe.
„Es gibt noch einige technische Hürden zu überwinden, darunter die Suche nach Materialien, die gute Elektroden für mehrwertige Ionen sind“, sagte Dr. Morgan damals. „Langfristig ist dieser Konzeptnachweis ein möglicher Schritt in Richtung ‚Jenseits von Lithium‘-Batterien mit überlegener Leistung.“
Im Hinblick auf die Erforschung neuer Batteriematerialien, die für zahlreiche Anwendungen – von mobilen Geräten bis hin zur Speicherung von Energie im Stromnetz – in Frage kommen, sagte Dr. Morgan, dass effizientere Batterien „immer wichtiger werden, da wir uns von fossilen Brennstoffen verabschieden und umweltfreundlichere Energiequellen nutzen.“
Die Zukunft
Ein Vorteil der Verwendung von TiO2 in den Batterien der Zukunft besteht darin, dass es im Überfluss vorhanden ist.
Darüber hinaus ist die Form von TiO2, nachdem es mit Lithium reagiert hat, in vielen Batterieelektrolyten sehr stabil, so dass eine lange Lebensdauer gewährleistet ist“, sagt O’Dwyer.
Aber es gibt noch einige Herausforderungen. „TiO2 als Anode (positive Elektrode) hat eine höhere Spannung als der derzeit verwendete Graphit“, sagt O’Dwyer.
Eine niedrigere Spannung wird im Allgemeinen bevorzugt, weil man so die Ausgangsspannung der Batterie maximieren kann. „Nicht für alle wiederaufladbaren Batterien ist dies erforderlich; für einige Anwendungen kann auch die Langlebigkeit eines stabilen Betriebs wichtig sein.“
TiO2 ist also, selbst wenn es für die kommerzielle Nutzung entwickelt werden kann, vielleicht nicht die Antwort auf alle Probleme mit wiederaufladbaren Batterien, aber es könnte die Lösung für einige sein.
„Es ist vielleicht nicht die optimale Wahl für Batterien mit hoher Energiedichte, zum Beispiel für Elektrofahrzeuge“, sagt Professor O’Dwyer.
Aber er fügt hinzu, dass die Verwendung von TiO2 für Batterien in anderen Anwendungen, wie z. B. in Laptops oder Telefonen, von Nutzen wäre, „wo eine lange Wiederaufladbarkeit wichtig ist“.
