Energiematerialien

Energiematerialien umfassen Materialien, die bei der Erzeugung, Umwandlung, Speicherung oder Steuerung von Energie eine zentrale Rolle spielen. Dazu gehören Materialien für die Energieumwandlung, wie Halbleiter- und Katalysatormaterialien, sowie Speichermaterialien, elektrochemische Zellen und Materialien zur Energiehandhabung wie Thermoelektrika oder Phasenwechselmaterialien. Wichtige Eigenschaften sind Energiedichte, Leistungsfähigkeit, Zyklenstabilität, Sicherheit, Kosten und Umweltverträglichkeit. Der Bereich ist interdisziplinär und umfasst Chemie, Physik, Materialwissenschaften und Ingenieurwesen.

Zu den Energieumwandlungsmaterialien zählen Photovoltaikmaterialien (Silizium, Perowskit), Katalysatoren für Wasser- und Sauerstoffreaktionen sowie Elektroden- und Elektrolytmaterialien in Brennstoffzellen und Elektrofahrzeugen. Zu den Speichermaterialien gehören Batterien (Lithium-Ionen, Festkörperbatterien, Lithium-Schwefel), Redox-Flow-Batterien und Superkondensatoren. Für das Energiemanagement ergeben sich Anwendungen aus Thermoelektrika, Phasenwechselmaterialien und smarten Materialien, die Temperatur oder elektrische Eigenschaften regulieren.

Die Entwicklung von Energiematerialien umfasst chemische Synthese, Struktur- und Oberflächencharakterisierung, elektrochemische Tests, Temperatur- und Alterungsexperimente sowie in situ bzw. operando Messungen. Statistische und computergestützte Methoden, einschließlich der Dichtefunktionaltheorie (DFT) und maschinellem Lernen, unterstützen die Entdeckung neuer Materialien und die Optimierung von Material-Interfaces.

Wesentliche Herausforderungen sind Kosten, Skalierbarkeit, Materialverfügbarkeit und Recycling sowie Sicherheit und Stabilität unter realen Betriebsbedingungen. Der Fortschritt hängt von einer engen Zusammenarbeit zwischen Grundlagenforschung, Produktion, Politik und Markt ab, um langlebige, nachhaltige und sichere Energiematerialien bereitzustellen.