Direkte Umwandlung rostiger Edelstahlgewebe in stabile, kostengünstige Elektroden für Kalium-Ionenbatterien
Abfall sinnvoll verwerten und gleichzeitig ein technisches Problem innovativ lösen – das gelang chinesischen Wissenschaftlern, indem sie verrostete Edelstahlgewebe direkt zu Elektroden mit hervorragenden elektrochemischen Eigenschaften für Kalium-Ionen-Akkus machten. Wie sie in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, wird der Rost direkt in die kompakte Schicht einer Gitterstruktur umgewandelt, die Kalium-Ionen speichern gut kann. Eine Beschichtung mit reduziertem Graphitoxid erhöht die Leitfähigkeit und die Stabilität während der Lade-/Entlade-Zyklen.
Angewandte Chemie – Volume129, Issue27 June 26, 2017 Pages 7989-7993
Die zunehmende Nutzung Erneuerbarer Energien erfordert eine effektive Zwischenspeicherung des Stroms im Netz. Lithium-Ionen-Akkus, bereits breit eingesetzt in tragbaren elektronischen Geräten, sind vielversprechende Kandidaten. Ein Lithium-Ionen-Akku basiert auf einer Verschiebung von Lithium-Ionen. Beim Laden wandern sie zur Graphit-Elektrode, wo sie zwischen den Kohlenstoffschichten eingelagert werden. Beim Entladen werden sie wieder freigesetzt. Lithium ist jedoch teuer und die Reserven sind begrenzt. Eine Alternative stellen Natrium-Ionen-Akkus dar.
„Kalium ist ebenso günstig und verfügbar wie Natrium, aber Kalium-Ionen-Akkus wären unter elektrischen Aspekten überlegen“, berichtet Hauptauroe Xin-bo Zhang. „Probleme bereitet bisher allerdings der deutlich größere Radius der Kalium-Ionen. Ihr wiederholtes Einlagern und Freisetzen destabilisiert gängige Elektrodenmaterialien.“
Professor Zhang und das Team von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften sowie der Jilin-Universität (Changchun, China) fanden eine elegante Lösung – indem sie ein Abfallprodukt als Ausgangsmaterial für neuartige Elektroden wählten: ausgemusterte Edelstahlgewebe aus Filtern und Sieben. Trotz deren exzellenter Beständigkeit kommt es unter rauen Bedingungen zu einer gewissen Korrosion. Die Metalle lassen sich im Hochofen zwar rückgewinnen, aber das ist ein kosten-, zeit- und energieaufwändiges Verfahren, das Emissionen verursacht. Zhang: „Nun könnte sich mit der Umwandlung in Elektroden ein ökologisch und ökonomisch sinnvolleres Recycling auftun.“
Die korrodierten Gewebe werden in eine Kaliumferricyanid-Lösung („gelbes Blutlaugensalz“, bekannt als Schönungsmittel für Wein) getaucht. Dabei lösen sich Eisen-, Chrom- und Nickelionen aus der Rostschicht und bilden mit Ferricyanid-Ionen das Komplexsalz Berliner Blau, ein tiefblaues Pigment, das sich als gerüstartige Nanowürfel auf der Oberfläche der Gewebe ablagert. Kalium-Ionen können darin leicht und rasch eingelagert und wieder freigesetzt werden.
Per Tauchbeschichtung tragen die Forscher anschließend Graphenoxid auf (oxidierte Graphit-Lagen). Die Schicht schmiegt sich fest an die Nanowürfel. Bei der folgenden Reduktion wird das Graphenoxid zu reduziertem Graphenoxid (RGO) umgewandelt, Graphitlagen mit vereinzelten Sauerstoffatomen. Zhang: „Die RGO-Beschichtung verhindert das Klumpen und Ablösen des aktiven Materials. Gleichzeitig erhöht sie die Leitfähigkeit deutlich und eröffnet ultraschnelle Elektronentransportwege.“
In Tests zeigten Knopfzellen mit den neuen Elektroden ausgezeichnete Kapazitäten, Entladespannungen, Entladungsraten sowie eine herausragende Zyklenstabilität. Da die kostengünstigen bindemittelfreien Elektroden sehr flexibel sind, wären sie für biegsame elektronische Geräte geeignet.
Dr. Xin-Bo Zhang ist Professor am Changchun-Institut für Angewandte Chemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) und arbeitet seit vielen Jahren auf dem Energiesektor. Seine Forschungsinteressen konzentrieren sich vor allem auf funktionale anorganische Materialien für die Speicherung und Umwandlung von Energie mit Brennstoffzellen und Akkus, insbesondere Lithium-Luft-Akkus. Er wurde mit dem CAS Presidential Scholarship Award sowie dem „Hundred Talents Program“ der CAS ausgezeichnet.
->Quellen:
- onlinelibrary.wiley.com/201719press
- Xinbo Zhang, Changchun Institute of Applied Chemistry (CIAC), Chinese Academy of Sciences (China)
- Originalartikel: Transformation of Rusty Stainless-Steel Meshes into Stable, Low-Cost, and Binder-Free Cathodes for High-Performance Potassium-Ion Batteries – Zhu, Y.-h., Yin, Y.-b., Yang, X., Sun, T., Wang, S., Jiang, Y.-s., Yan, J.-m. and Zhang, X.-b.; „Transformation of Rusty Stainless-Steel Meshes into Stable, Low-Cost, and Binder-Free Cathodes for High-Performance Potassium-Ion Batteries“; Angew. Chem.; 2017; https://doi.org/10.1002/ange.201702711
- energy.ciac.jl.cn