Als Energieträger, der bei der Nutzung kein CO2 an die Umwelt abgibt, ist Wasserstoff von großer Bedeutung. Er ist vielseitig einsetzbar und dient auch als Energiespeicher. Efi Hadjixenophontos hat als Doktorandin am Institut für Materialwissenschaft der Universität Stuttgart mit weiteren Promovierenden im Projekt Ecostore des Forschungsstipendienprogramms Marie-Skłodowska-Curie-Actions (MSCA) erforscht, wie Wasserstoff in Form von Metallhydrid als Energiespeicher und in Festkörperbatterien genutzt werden kann. Die Gruppe hat die gewonnenen Erkenntnisse im März 2020 in der Zeitschrift Inorganics des Open-Access-Verlags MDPI veröffentlicht. Die Arbeit zählt zu den meist zitierten Veröffentlichungen der Universität Stuttgart in diesem Jahr.
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Hadjixenophontos, Efi; Dematteis, Erika Michela; Berti, Nicola; Wolczyk, Anna Roza; Huen, Priscilla; Brighi, Matteo; Le, Thi Thu; Santoru, Antonio; Payandeh, Seyed Hosein; Peru, Filippo; Dao, Anh Ha; Liu, Yinzhe; Heere, Michael. (2020) A Review of the MSCA ITN ECOSTORE-Novel Complex Metal Hydrides for Efficient and Compact Storage of Renewable Energy as Hydrogen and Electricity. In: MDPI Open Access Journals, https://doi.org/10.3390/inorganics8030017.
Platzsparend und sicher
Wenn Wasserstoff nicht als Gas, sondern in einem Metallhydrid als Feststoff genutzt wird, hat er ein geringeres Volumen. Metallhydrid, in Energiespeichern oder Batterien eingesetzt, verbraucht rund ein Drittel weniger Platz als gasförmiger Wasserstoff. Auch der Umgang mit dem Feststoff ist einfacher als mit hochexplosivem gasförmigen Wasserstoff.
Welche Materialien sind am besten geeignet?
„Eines der vielversprechendsten Materialien, das zu den reinen Metallhydriden gehört, ist Magnesiumhydrid (MgH2)“, erklärt Dr. Efi Hadjixenophontos. Um eine dünne Schicht des Materials im Nanobereich herzustellen, beschoss sie Metall mit Ionen in der sogenannten Ionenstrahl-Sputterkammer, so dass Metallionen freigesetzt werden, die sich zu einem dünnen Film Magnesiumhydrid verbinden. In dieser Form ist das Material am besten zur Untersuchung des grundlegenden Verhaltens der Wasserstoffbewegung geeignet. Mit Hilfe von speziell entwickelten Wasserstoffreaktoren und Mikroskopie-Techniken, die am Institut für Materialwissenschaften betrieben werden, konnte Hadjixenophontos die Diffusion in einem weiten Temperaturbereich bewerten. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler synthetisierten darüber hinaus weitere Hydrid-Materialien wie Amide, Imide, Borhydride und Seltenerdmetallhydride.
Neue Erkenntnisse zu Vorgängen in Batterien
Batterien, die Magnesiumhydrid verwenden, gehören zur Familie der sogenannten Konversion-Reaktionsbatterien. Bei haushaltsüblichen Li-Ionen-Batterien wandern die Lithium-Ionen beim Be- und Entladen zwischen der negativen und positiven Elektrode hin und her, ohne das eine chemische Reaktion stattfindet. „Bei den Konversionsbatterien, die wir untersucht haben, läuft dagegen eine chemische Reaktion ab. Beim Beladen reagiert Lithium mit Magnesiumhydrid zu Lithiumhydrid. Diese Reaktion ist leider nicht immer reversibel, eine Herausforderung für die Lebensdauer der Batterie“, beschreibt die Wissenschaftlerin die Vorgänge in den neuartigen Batterien.
Batterien ohne Lithium möglich
Wenn Metallhydride wie Magnesiumhydrid in Batterien eingesetzt werden, können auch Batterien genutzt werden, die nicht auf Basis von Lithium funktionieren, sondern zum Beispiel mit Natrium, wie in der veröffentlichen Arbeit diskutiert wird. Dies ist ein großer Vorteil, da Lithium sehr selten ist.
Größere Kapazität
Batterien mit Metallhydrid bieten eine größere Kapazität als herkömmliche Batterien. „Bei einer zukünftigen Verwendung in Fahrzeugen wäre dadurch eine größere Reichweite möglich“ nennt Dr. Hadjixenophontos die Vorteile, „da die Batterien wegen höherer Kapazität weniger Platz einnehmen und leichter werden, wäre auch die Nutzung für Notstromaggregate oder andere mobile Geräte denkbar.“
Aufbau eines Netzwerks
Neben der wissenschaftlichen Erkenntnis gehört auch der Aufbau eines Netzwerks zum Programm des Stipendiums von Marie-Skłodowska-Curie-Actions. Insgesamt waren an dem Ecostore-Projekt zwölf Promovierende und zwei Post docs von verschiedenen Universitäten, Firmen und wissenschaftlichen Einrichtungen aus dem In- und Ausland beteiligt. Integriert waren auch wechselseitige Forschungsaufenthalte der Programmteilnehmerinnen und -teilnehmer. So war Efi Hadjixenophontos je zwei Monate an der japanischen Tohoku-Universität und am Nationales Zentrum für wissenschaftliche Forschung (CNRS) in Paris zu Gast. Darüber hinaus besuchte sie die französische Niederlassung der Firma SAFT Batteries. Dr. Efi Hadjixenophontos hat am Institut für Materialwissenschaft der Universität Stuttgart bei Prof. Guido Schmitz promoviert. „Ich bin sehr dankbar für die großartigen Forschungsbedingungen am Institut und für das Engagement von Prof. Schmitz“, betont sie. Seit 2019 ist die Materialwissenschaftlerin beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) am Institut für Technische Thermodynamik beschäftigt.
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