Günstige Elektroden aus rostigem Stahl

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Abfall sinnvoll verwerten und gleichzeitig ein technisches Problem innovativ lösen – das haben chinesische Wissenschaftler erreicht, indem sie verrostete Edelstahlgewebe direkt zu Elektroden mit hervorragenden elektrochemischen Eigenschaften machen, die für Kaliumionen-Akkus ideal sind. Wie sie in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, wird der Rost direkt in eine kompakte Schicht einer Gitterstruktur umgewandelt, die gut Kaliumionen speichern kann. Eine Beschichtung mit reduziertem Graphitoxid erhöht die Leitfähigkeit und die Stabilität während der Lade-/Entlade-Zyklen.

Die zunehmende Nutzung erneuerbarer Energien erfordert eine effektive Zwischenspeicherung des Stroms im Netz. Lithiumionen-Akkus, bereits breit eingesetzt in tragbaren elektronischen Geräten, sind vielversprechende Kandidaten. Ein Lithiumionen-Akku basiert auf einer Verschiebung von Lithiumionen. 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 Natriumionen-Akkus dar.

"Kalium ist ebenso günstig und verfügbar wie Natrium, aber Kaliumionen-Akkus wären unter elektrischen Aspekten überlegen", berichtet der chinesische Forscher Xin-bo Zhang. "Probleme bereitet bisher allerdings der deutlich größere Radius der Kaliumionen. Ihr wiederholtes Einlagern und Freisetzen destabilisiert gängige Elektrodenmaterialien."

Vom Abfallprodukt zur Elektrode

Zhang und das Team von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften sowie der Jilin-Universität (Changchun, China) fanden eine 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.

Die korrodierten Gewebe werden in eine Kaliumferricyanid-Lösung (gelbes Blutlaugensalz,) 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. Kaliumionen 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.