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Innovative Materialien Batterien, die sich selbst recyceln

Von Dipl.-Ing. (FH) Michael Richter 2 min Lesedauer

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Eine Batterie, die sich am Ende ihres Lebens fast wie von selbst zerlegt? Das klingt bislang nach Science-Fiction, könnte aber bald Realität werden. Ein Forschungsteam am MIT hat ein neuartiges Material entwickelt, das sich eigenständig organisiert.

Materialforschung: Inspiriert von Kevlar, umgesetzt mit der Logik der Selbstorganisation.(Bild: frei lizenziert / Pexels)
Materialforschung: Inspiriert von Kevlar, umgesetzt mit der Logik der Selbstorganisation.
(Bild: frei lizenziert / Pexels)

Es handelt sich um sogenannte Aramid-Amphiphile, eine neuartige Molekülklasse, die die Stabilität klassischer Hochleistungsfasern mit der Selbstorganisation von amphiphilen Molekülen verbindet.

Doch was steckt hinter diesem Begriff? „Amphiphil“ bedeutet, dass ein Molekül zwei sehr unterschiedliche Seiten besitzt. Eine wasserliebende (hydrophile) und eine wasserabweisende (hydrophobe). Solche Moleküle neigen dazu, sich in Lösung spontan zu ordnen. Vergleichbar wie bei Seifen, die sich zu Micellen oder Schichten zusammenlagern. Diese Eigenschaft haben die MIT-Forscher genutzt, aber nicht mit gewöhnlichen Molekülen, sondern mit solchen, die auf Aramiden basieren. Aramide kennt man aus extrem widerstandsfähigen Materialien wie Kevlar, das in kugelsicheren Westen verwendet wird. Diese besondere chemische Grundstruktur sorgt für enorme Stabilität und Hitzebeständigkeit.

Amphiphile Moleküle

Indem die Wissenschaftler diese Aramid-Struktur mit flexiblen, leitfähigen Polymerketten kombinierten, entstand ein amphiphiles Molekül, das sich in Wasser von selbst zu geordneten Nanobändern zusammenfügt. Diese Nanobänder lagern sich dann zu einer Art hochstabiler, aber zugleich funktionaler Schicht an, die als Elektrolyt in Batterien eingesetzt werden kann. Der Trick liegt darin, dass das Material nicht nur leitfähig ist, sondern gleichzeitig als struktureller Klebstoff zwischen den Batteriekomponenten wirkt.

Der eigentliche Zauber entfaltet sich jedoch am Ende des Lebenszyklus. Taucht man die Batterie in ein geeignetes organisches Lösungsmittel, bricht die Selbstorganisation zusammen. Die Aramid-Amphiphile verlieren ihre geordnete Struktur und zerfallen in einzelne Moleküle. Die vormals stabile Schicht löst sich förmlich auf und mit ihr die feste Verbindung zwischen den Komponenten der Batterie. Anstatt geschreddert, erhitzt oder chemisch zerlegt zu werden, fällt die Batterie gewissermaßen von selbst auseinander.

Die Forscher sprechen von einem „recycle-first“-Ansatz, weil hier Recycling nicht mehr als spätes Problem betrachtet wird, sondern von Beginn an ins Design integriert ist. Der Prototyp ist aktuelle noch nicht auf maximaler Leistung. Die Ionenbewegung durch die Nanostrukturen ist langsamer als bei etablierten Materialien. Doch die Vision ist klar: Schon wenn dieses Material als zusätzliche Schicht in herkömmlichen Elektrolyten eingesetzt würde, könnte es den entscheidenden Auslöser für ein kontrolliertes, umweltfreundliches Recycling liefern.

Ein einziger molekularer Trick – inspiriert von Kevlar, umgesetzt mit der Logik der Selbstorganisation – könnte das größte Problem der Elektromobilität entschärfen. Anstatt Berge an schwer recycelbaren Altbatterien, die wertvolle Rohstoffe binden, könnten in Zukunft Energiespeicher entstehen, die sich am Ende ihres Lebens elegant und fast mühelos in ihre Einzelteile zerlegen. (mr)

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