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Um die Struktur des neuen Materials abzubilden, wurde dieses Transmissionselektronenmikroskop verwendet © ÖAW/Klaus Pichler
Um die Struktur des neuen Materials abzubilden, wurde dieses Transmissionselektronenmikroskop verwendet © ÖAW/Klaus Pichler

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Neuer Werkstoff könnte Batterien verbessern

18.10.2019

Einer internationalen Forschungsgruppe mit Beteiligung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften ist es gelungen, Aluminium mit hoher Zwillingsdichte herzustellen. Das neue Material könnte aufgrund der Stabilität und der guten elektrischen Eigenschaften zukünftig als Stromkollektor in modernen Batterien verwendet werden.

Metalle sind wichtige Werkstoffe, ohne die unsere moderne Welt nicht vorstellbar wäre. Um neue Hochleistungswerkstoffe herzustellen, versuchen Forscher/innen weltweit, Strukturen auf der atomaren Skala gezielt zu beeinflussen. Denn Metalle zeichnen sich durch eine regelmäßige Anordnung von Atomen aus, der sogenannten Kristallstruktur. Ihre einzigartigen Eigenschaften erhalten metallische Werkstoffe dabei aufgrund von Fehlern in dieser regelmäßigen Struktur. Ein Metall ohne Fehler wäre für die meisten Anwendungen schlicht zu weich. Solche Fehler verhalfen nun auch einem heimischen Forschungsteam zu neuen Erkenntnissen.

Erstmals Aluminium mit hoher Zwillingsdichte hergestellt

Materialwissenschaftler/innen der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) konnten zusammen mit internationalen und österreichischen Kolleg/innen vom COMET-Zentrum CEST in Wiener Neustadt und der Universität Wien erstmals Aluminium mit einer hohen Zwillingsdichte herstellen. Das berichten sie aktuell im Fachjournal "Science Advances".

Was unter "Zwillingsdichte" zu verstehen ist, erklärt Christoph Gammer, Ko-Autor der Publikation und Forscher am Erich-Schmid-Institut für Materialwissenschaft der ÖAW in Leoben: "Kennzeichnend für einen Zwilling ist, dass er als Spiegel der atomaren Anordnung fungiert. Das bedeutet: In einer hohen Dichte verleihen die perfekt symmetrischen Fehler einem Material hohe Härte bei guter Verformbarkeit und guten elektrischen Eigenschaften."

Die Herstellung solcher Zwillinge gelang bisher bereits mit Kupfer. "Die Herstellung von Aluminium mit einer hohen Zwillingsdichte ist jedoch neu und auch unerwartet, da Aluminium unter normalen Umständen keine Zwillinge zeigt", sagt Gammer, der für seine Forschungen kürzlich einen START-Preis des Wissenschaftsfonds FWF erhalten hat.

Breites Anwendungspotential: Von Beschichtungen bis Batterien

Das verzwillingte Aluminium konnten die Forscher/innen durch elektrolytische Abscheidung produzieren. Bei diesem Verfahren baut sich der Werkstoff Atom für Atom aus einer Flüssigkeit auf. Der komplexe Prozess wurde dann mit einer Computersimulation nachgestellt. ÖAW-Forscher Gammer: "Wir waren überrascht und haben daher versucht zu verstehen, wie es zur Zwillingsbildung kommt. Dafür haben wir Simulationen durchgeführt, bei denen man atomare Anordnungen im Computer nachbilden kann. Diese zeigten, dass einzelne Wasserstoffatome das Wachsen eines Zwillings in Aluminium bewirken können."

Für das Forschungsteam sind die Ergebnisse nicht nur von wissenschaftlicher Bedeutung, das Verfahren hat auch das Potential, auf anderen Gebieten zum Einsatz zu kommen. Denn: Verzwillingtes Aluminium ist aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften robuster und zeigt auch gute elektrische Eigenschaften. "Das verzwillingte Aluminium bietet viele potenzielle Anwendungen: Toxische Kadmiumbeschichtungen in der Luftfahrtindustrie könnten dadurch ersetzt werden, oder es könnte zur Verwendung als Stromkollektor in modernen Batterien genutzt werden", sagt Materialwissenschaftler Gammer.

Publikation

"High density of genuine growth twins in electrodeposited aluminum", L. D. Rafailović, C. Gammer, C. Ebner, C. Rentenberger, A. Z. Jovanović, I. A. Pašti, N. V. Skorodumova, H. P. Karnthaler, Science Advances, 2019

DOI: 10.1126/sciadv.aax3894

Rückfragehinweis:
Sven Hartwig
Leiter Öffentlichkeit & Kommunikation
Österreichische Akademie der Wissenschaften
Dr. Ignaz Seipel-Platz 2, 1010 Wien
T +43 1 51581-1331
sven.hartwig@oeaw.ac.at
Wissenschaftlicher Kontakt:
Christoph Gammer
Erich-Schmid-Institut für Materialwissenschaft
Österreichische Akademie der Wissenschaften
Jahnstrasse 12, 8700 Leoben
T +43 3842 804-306
christoph.gammer@oeaw.ac.at
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