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Recycling Neuartige Batterien aus verrostetem Edelstahl

| Redakteur: Rebecca Vogt

Abfall sinnvoll verwerten und gleichzeitig ein technisches Problem lösen: Wissenschaftlern aus China ist es nach eigenen Angaben gelungen, verrostete Edelstahlgewebe direkt in Elektroden mit hervorragenden elektrochemischen Eigenschaften umzuwandeln. Diese sollen sich ideal für Kalium-Ionen-Akkus eignen. Aufgrund ihrer Flexibilität seien sie zudem für biegsame elektronische Geräte interessant.

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Verrostete Edelstahlgewebe werden zu Elektroden mit hervorragenden elektrochemischen Eigenschaften.
Verrostete Edelstahlgewebe werden zu Elektroden mit hervorragenden elektrochemischen Eigenschaften.
(Bild: Wiley-VCH)

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 der chinesische Wissenschaftler Xin-bo Zhang. „Probleme bereitet bisher allerdings der deutlich größere Radius der Kalium-Ionen. Ihr wiederholtes Einlagern und Freisetzen destabilisiert gängige Elektroden-Materialien.“

Aus Abfall werden Elektroden

Zhang und das Team von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften sowie der Jilin-Universität in Changchun fanden eine elegante Lösung – indem sie ein Abfallprodukt als Ausgangsmaterial für neuartige Elektroden wählten: ausgemusterte Edelstahlgewebe aus Filtern und Sieben. Trotz deren ausgezeichneter Beständigkeit kommt es unter rauen Bedingungen zu einer gewissen Korrosion. Die Metalle lassen sich im Hochofen zwar rückgewinnen, aber das Verfahren ist kosten-, zeit- und energieaufwändig und verursacht Emissionen. Zhang sagt: „Nun könnte sich mit der Umwandlung in Elektroden ein ökologisch und ökonomisch sinnvolleres Recycling auftun.“

Nanowürfel aus Berliner Blau

Wie die Wissenschaftler in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, wird der Rost direkt in eine kompakte Schicht einer Gitterstruktur umgewandelt, welche gut Kalium-Ionen speichern kann. Eine Beschichtung mit reduziertem Graphitoxid erhöht die Leitfähigkeit und die Stabilität während der Lade-/Entlade-Zyklen.

Die Schritte im Einzelnen: Die korrodierten Gewebe werden in eine Kaliumferricyanid-Lösung – gelbes Blutlaugensalz, bekannt als Schönungsmittel für Wein – getaucht. Dabei lösen sich Eisen-, Chrom- und Nickel-Ionen 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 ebenso wieder freigesetzt werden.

Für biegsame elektronische Geräte geeignet

Per Tauchbeschichtung tragen die Forscher anschließend Graphenoxid (oxidierte Graphit-Lagen) auf. Die Schicht schmiegt sich fest an die Nanowürfel. Bei der folgenden Reduktion wird das Graphenoxid zu reduziertem Graphenoxid (RGO) umgewandelt. Graphit-Lagen mit vereinzelten Sauerstoffatomen entstehen. Zhang erklärt: „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 auch für biegsame elektronische Geräte geeignet.

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