Foto: St. Petersburg University
Können Mineralien einen Durchbruch bei der Speicherung von erneuerbaren Energien leisten? In anderen Bereichen wie Biologie und Metallurgie leisten Mineralien schon große Dienste. Forscher an der Universität St. Petersburg haben sich mit der Forschung befasst und ein völlig neues Mineral entdeckt, das die Batterieproduktion revolutionieren könnte.
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Das neue Mineral nennt sich „Petrovit“ und ist eine hellblaue Ansammlung von Natriumschwefel, Kupfer und eine „sehr seltene“ Koordination von Sauerstoffatomen, die nur in einigen anderen Verbindungen zu finden ist. Insgesamt bildet es ein poröses Gerüst. Die inneren Hohlräume sind über Kanäle miteinander verbunden, die wie sehr enge Tunnel wirken, in denen sich Natriumatome frei bewegen können. Das Mineral wurde von Svetlana Moskaleva, einer wissenschaftlichen Mitarbeiterin am Institut für Vulkanologie und Seismologie der fernöstlichen Abteilung der Russischen Akademie der Wissenschaften, chemisch analysiert. Sie und ihr Team gehen davon aus, dass Petrovit zur Herstellung erneuerbarer Batterien verwendet werden kann. Das Projekt wird von Professor Stanislav Filatov geleitet, der seit mehr als 40 Jahren daran arbeitet, neue Elemente zu entdecken – insbesondere untersucht er die Mineralogie von Vulkanen nach dem Ausbruch. Die Struktur von Petrovit könne eine Ionenleitfähigkeit bieten und daher als Kathodenmaterial für Natriumionenbatterien fungieren. Natrium ist in der Erdkruste reichlich vorhanden und eine Natriumionenbatterie ist eine vielversprechende Alternative zum Speichern von Energie.
Die Verbindung ist ein blaues, kugelförmiges Aggregat aus tafelförmigen Kristallen mit gasförmigen Einschlüssen.
Durchbruch bei feuerfesten Lithium-Ionen-Batterien erzielt
Warum ist Petrovit als Mineral so besonders?
Laut Filatov ist die Kupferatomstruktur des neu entdeckten Minerals Petrovits recht ungewöhnlich und weist eine seltene Koordination von sieben Sauerstoffatomen auf.
„Eine solche Koordination ist nur für einige wenige Verbindungen sowie für Saranchinait charakteristisch, die von unseren Kollegen von der Universität St. Petersburg – dem Forschungsteam von Professor Oleg Siidra – entdeckt wurden“, sagte er.
Eine weitere Besonderheit: Petrovit wurde in einem Vulkan namens Tolbachik entdeckt. Die dort entstandenen Mineralien bildeten sich nach zwei großen Eruptionen: 1975-1976 und 2012-2013. Der Tolbatschik ist ein Vulkan auf der Kamtschatka-Halbinsel im Fernen Osten Russlands.
Herausforderung bei der Nutzung des Minerals
Lässt sich das neu entdeckte Mineral jetzt einfach so nutzen und in die Batterieproduktion integrieren? Laut Filatov liegt die größte Herausforderung in der geringen Menge Kupfer in der Kristallstruktur.
„Es könnte gelöst werden, indem im Labor eine Verbindung mit der gleichen Struktur wie Petrovit synthetisiert wird“, gibt der Forscher an.
Die Untersuchung des Minerals wurde im Fachblatt Mineralogical Magazine veröffentlicht. Dem Bericht zufolge wurde das Mineral nach Dr. Tomas Georgievich Petrov benannt, der große Beiträge auf dem Gebiet der Mineralogie und Kristallographie sowie der entwickelten Technologie zur industriellen Herstellung von Malachitschmuck geleistet hat. Gemeinsam mit seinen Schülern Arkady Glikin und Sergei Moshkin war er der erste Forscher auf der Welt, der eine Technologie für den Anbau von Schmuckmalachit entwickelte.
Natriumionenbatterien weisen Probleme auf
Aufgrund der hohen Verfügbarkeit von Salz haben sich aktuell Natriumionenbatterien als kostengünstige Alternative zur Lithium-Ionen-Chemie herausgestellt, die heutige Laptops, Elektrofahrzeuge und Smartphones antreibt. Das hellblaue Vulkanmineral könnte eine Alternative sein.
Batterie voll oder leer? Dieser Trick zeigt es in Sekunden
Ein Problem, an dem Forscher ebenfalls tüfteln, betrifft die Kathode, die als eine der beiden Elektroden der Batterie eine Schlüsselrolle beim Hin- und Herbewegen von Ionen und bei der Stromerzeugung spielt. Das Herausforderung bei aktuellen Versionen von Natriumionenbatterien besteht darin, dass sich beim Zyklisieren inaktive Natriumkristalle auf der Oberfläche der Kathode ansammeln, was sich für das Gerät bald als tödlich herausstellt. Die Wissenschaftler der russischen Universität St. Petersburg haben nun eine frei fließende Lösung gefunden – und das direkt aus den Lavaströmen des Tolbachik-Vulkans.
Die Forschung wurde durch ein Stipendium der Russischen Stiftung für Grundlagenforschung Nr. 18-29-12106 unterstützt.
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