Neue Studie zu Spinell-Oxiden veröffentlicht

Eisen-Aluminium-Verhältnis bestimmt Funktionseigenschaften – wichtige Erkenntnisse für Zink-Batterien und Materialdesign

01. Juli 2026 – Ein Forschungsteam des Helmholtz-Instituts Münster (HI MS) am Forschungszentrum Jülich hat neue Erkenntnisse zu zinkleitenden Spinell-Oxiden gewonnen. In ihrer aktuellen Publikation zeigen die Forschenden, wie sich funktionale Materialeigenschaften gezielt über die chemische Zusammensetzung einstellen lassen.

Einstellbare Eigenschaften durch Mischkristallbildung

Im Zentrum der Arbeit steht die sogenannte Mischkristallreihe zwischen Zinkferrit (ZnFe₂O₄, auch als Mineral Franklinit bekannt) und Zinkaluminat (ZnAl₂O₄, Gahnit). Die Studie zeigt, dass sich Eisen (Fe) und Aluminium (Al) in der Kristallstruktur vollständig gegenseitig ersetzen können, ohne diese grundlegend zu verändern.

Dabei verändern sich die Eigenschaften der Materialien systematisch mit dem Fe/Al-Verhältnis: Mit steigendem Aluminiumanteil nehmen sowohl die elektrische als auch die elektronische Leitfähigkeit sowie die magnetische Suszeptibilität ab, während die optische Bandlücke zunimmt.

Untersuchungen auf Material- und Zellebene belegen zudem eine reversible Einlagerung von Zinkionen (Zn²⁺) und Protonen – ein wichtiger Hinweis auf das Potenzial dieser Materialien für elektrochemische Energiespeicher.

Beitrag zum Verständnis von Zink-Batterien

Zinkbasierte Batteriesysteme gelten als vielversprechende Option für stationäre Energiespeicher – unter anderem aufgrund verfügbarer Rohstoffe, etablierter Recyclingstrukturen und der Möglichkeit, wässrige, nicht brennbare Elektrolyte einzusetzen.

Allerdings bestehen weiterhin Herausforderungen, etwa bei der Stabilität von Elektrodenmaterialien in wässrigen Elektrolyten. Die vorliegende Studie liefert hier wichtige Grundlagen: Sie zeigt, wie sich durch gezielte Variation der Zusammensetzung die Eigenschaften von Spinell-Materialien beeinflussen lassen.

Die Ergebnisse können insbesondere zur Weiterentwicklung komplexerer Materialsysteme wie Zink-Mangan-Eisen-Aluminium-Oxid beitragen und helfen, bestehende Probleme – etwa die begrenzte Stabilität von Kathodenmaterialien – besser zu adressieren.

Grundlagenforschung mit breiter Relevanz

Neben der Anwendung in Batterien sind die Ergebnisse auch für andere Bereiche relevant, etwa für geowissenschaftliche Fragestellungen zu entsprechenden Erzmineralen.

Darüber hinaus zeigen die Untersuchungen, dass Zink-Eisen-Oxid bei Temperaturen über 600 °C eine vom Sauerstoffpartialdruck abhängige elektronische Leitfähigkeit aufweist – ein Hinweis auf mögliche zusätzliche Sauerstoffionenleitfähigkeit.

Interdisziplinäre Zusammenarbeit

Die Studie entstand in enger Zusammenarbeit zwischen dem Helmholtz-Institut Münster (IMD-4) und dem Institut für Energie- und Klimaforschung (IET-1) am Forschungszentrum Jülich sowie der FH Münster und weiteren Partnern.

Dabei wurden experimentelle Materialentwicklung, elektrochemische Charakterisierung sowie strukturaufklärende Methoden wie Röntgen- und Neutronenstreuung kombiniert. Ergänzende Untersuchungen zu optischen und magnetischen Eigenschaften erweiterten das Verständnis der funktionalen Zusammenhänge.

Studie in Fachmagazin Solid State Ionics veröffentlicht

Die detaillierten Ergebnisse ihrer Studie haben die Forscher:innen als Open-Access-Artikel im Fachmagazin Solid State Ionics veröffentlicht.

Beteiligte Forscher:innen:

• Meriem Machitouen – Helmholtz-Institut Münster am Forschungszentrum Jülich und FH Münster

• Patrick Mowe – Helmholtz-Institut Münster

• Johannes Spiegel – Institut für Energie- und Klimaforschung (IET-1) am Forschungszentrum Jülich

• Susanna Krämer – Helmholtz-Institut Münster

• Prof. Dr. Rüdiger-A. Eichel – IET-1 und RWTH Aachen University

• Prof. Dr. Martin Winter – Helmholtz-Institut Münster und MEET Batterieforschungszentrum der Universität Münster

• Prof. Dr. Thomas Jüstel – FH Münster

• Dr. Anna Windmüller – IET-1

• Dr. Kerstin Neuhaus – Helmholtz-Institut Münster