Neu: Wasserstoffbasierte Batterien und Brennstoffzellen mit festem Elektrolyten

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Neues Material ermöglicht Verbessererungen

Forscher unter der Leitung von Genki Kobayashi am japanischen RIKEN-Cluster für Pionierforschung haben einen festen Elektrolyten für den Transport von Hydrid-Ionen (H-) bei Raumtemperatur entwickelt. Dieser Durchbruch bedeutet, dass die Vorteile von wasserstoffbasierten Festkörperbatterien und Brennstoffzellen in greifbare Nähe rücken, einschließlich verbesserter Sicherheit, Effizienz und Energiedichte, die für den Übergang zu einer praktischen wasserstoffbasierten Energiewirtschaft unerlässlich sind. Die Studie wurde in Advanced Energy Materials veröffentlicht.

Batterien (aktuell) – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft

Damit sich wasserstoffbasierte Energiespeicher und Kraftstoffe weiter verbreiten können, müssen sie sicher, sehr effizient und so einfach wie möglich sein. Die derzeit in Elektroautos verwendeten wasserstoffbasierten Brennstoffzellen funktionieren so, dass Wasserstoffprotonen bei der Energieerzeugung durch eine Polymermembran von einem Ende der Brennstoffzelle zum anderen gelangen. Für eine effiziente, schnelle Wasserstoffbewegung in diesen Brennstoffzellen wird Wasser benötigt, was bedeutet, dass die Membran ständig mit Feuchtigkeit versorgt werden muss, damit sie nicht austrocknet. Dieser Umstand macht die Konstruktion von Batterien und Brennstoffzellen noch komplexer und teurer und schränkt die Praktikabilität einer wasserstoffbasierten Energiewirtschaft der nächsten Generation ein. Um dieses Problem zu überwinden, haben Wissenschaftler lange nach einer Möglichkeit gesucht, negative Hydrid-Ionen durch feste Materialien zu leiten, insbesondere bei Raumtemperatur.

Das Warten hat nun ein Ende. „Wir haben einen echten Meilenstein erreicht“, sagt Kobayashi. „Unser Ergebnis ist die erste Demonstration eines Hydridionen leitenden Festelektrolyten bei Raumtemperatur“.

Das Team hatte aus mehreren Gründen mit Lanthanhydriden (LaH3-?) experimentiert: Der Wasserstoff lässt sich relativ leicht freisetzen und einfangen, die Hydridionenleitung ist sehr hoch, sie können unter 100 °C arbeiten und haben eine Kristallstruktur. Bei Raumtemperatur schwankt die Anzahl der an Lanthan gebundenen Wasserstoffe jedoch zwischen 2 und 3, was eine effiziente Leitung unmöglich macht. Dieses Problem wird als Nicht-Stöchiometrie des Wasserstoffs bezeichnet und war das größte Hindernis, das in der neuen Studie überwunden wurde. Als die Forscher einen Teil des Lanthans durch Strontium (Sr) ersetzten und nur eine Prise Sauerstoff hinzufügten – mit der Grundformel La1-xSrxH3-x-2yOy – erhielten sie die erhofften Ergebnisse.

Das Team stellte kristalline Proben des Materials durch Kugelmahlen und anschließendes Glühen her. Sie untersuchten die Proben bei Raumtemperatur und stellten fest, dass sie Hydrid-Ionen mit hoher Geschwindigkeit leiten konnten. Anschließend testeten sie die Leistung in einer Festkörperbrennstoffzelle aus dem neuen Material und Titan, wobei sie die Mengen an Strontium und Sauerstoff in der Formel variierten. Bei einem optimalen Wert von mindestens 0,2 Strontium beobachteten sie eine 100%ige Umwandlung von Titan in Titanhydrid (TiH2). Das bedeutet, dass fast keine Hydrid-Ionen verschwendet wurden.

„Kurzfristig liefern unsere Ergebnisse Richtlinien für das Materialdesign von hydridionenleitenden Festelektrolyten“, sagt Kobayashi. „Langfristig glauben wir, dass dies ein Wendepunkt in der Entwicklung von Batterien, Brennstoffzellen und elektrolytischen Zellen ist, die mit Wasserstoff arbeiten. Der nächste Schritt wird darin bestehen, die Leistung zu verbessern und Elektrodenmaterialien zu entwickeln, die Wasserstoff reversibel aufnehmen und abgeben können. Dies würde es ermöglichen, Batterien wieder aufzuladen und Wasserstoff zu speichern und bei Bedarf leicht wieder freizugeben, was eine Voraussetzung für die Nutzung von Wasserstoff als Energieträger ist.

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