Batterieforschung Die Aluminium-Ionen-Batterie als zukünftiger Stromspeicher?

Redakteur: Dipl.-Ing. Dorothee Quitter

Um den steigenden Bedarf an elektrischen Speichern decken zu können, sind weiterentwickelte Batteriesysteme nötig. Ein Ansatz ist der Austausch des Batteriematerials Lithium durch Aluminium. Eine vierfach höhere Energiedichte ist theoretisch möglich. Wir stellen die Entwicklung vor.

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Die wichtigsten Komponenten einer Aluminium-Ionen-Batterie: Graphitpulver, Aluminium-Folie und ein spezieller Elektrolyt, der aus einer bei Raumtemperatur flüssigen Salzschmelze besteht.
Die wichtigsten Komponenten einer Aluminium-Ionen-Batterie: Graphitpulver, Aluminium-Folie und ein spezieller Elektrolyt, der aus einer bei Raumtemperatur flüssigen Salzschmelze besteht.
(Bild: Maximilian Wassner / Fraunhofer THM)

Am Technologiezentrum Hochleistungsmaterialien (THM) in Freiberg erforscht die Arbeitsgruppe Batteriematerialien des Fraunhofer IISB seit etwa 5 Jahren eine Lithium-freie und Aluminium-basierte Zellchemie. Neben einer theoretisch vierfach höheren volumetrischen Energiedichte als metallisches Lithium soll das Batteriematerial Aluminium auch Vorteile in der Fertigung und beim Einsatz bringen.

In unseren Laborsystemen wurden mit Graphitpulver als Kathode bereits Energiedichten von 135 Wh/kg in Bezug auf die Aktivmasse gezeigt.

Ulrike Wunderwald, Leiterin der Arbeitsgruppe Batteriematerialien des Fraunhofer IISB

Nach Angaben des Fraunhofer IISB fungiert in Lithium-Ionenzellen eine hochreine und beschichtete Aluminiumfolie als Stromsammler. In der Aluminium-Ionen-Batterie (AIB) übernehme dagegen eine einfache Aluminiumfolie gleichzeitig die Funktion der Anode. Hierbei würden an das Aluminium keine besonderen Qualitätsanforderungen gestellt und marktübliche Folien reichten aus. Ebenso können in Aluminium-Ionen-Batterien günstige Elektrolyte auf der Basis von Harnstoff verwendet werden, heißt es.

Was die Aluminium-Ionen-Batterie auszeichnet

Laut Fraunhofer IISB kann die Aluminium-Ionen-Batterie in weniger als 30 Sekunden voll ge- und entladen werden. Dabei sei der Prozess reversibel und es wurden bereits über 10.000 Zyklen mit einer Ladeeffizienz von mehr als 90 % erreicht. Die neuesten Ergebnisse zeigen, dass auch noch mehr als doppelt so viele Ladezyklen möglich sind. Das liege deutlich über dem, was etablierte Lithium-Ionen-Batterien ausweisen. Die Batteriezellen funktionieren unter normalen Umgebungsbedingungen. Die Anwendung als Knopfzellen und Pouch-Zellen ist angedacht.

Hochdynamischer Netzspeicher für regenerative Energiequellen

Durch ihren vereinfachten Aufbau bieten Aluminium-Ionen-Batterien gegenüber Lithium-Ionen-Batterien den Vorteil einer kostengünstigeren Fertigung mit reduziertem Prozessaufwand. Dabei ist Aluminium als Ressource unkritisch und muss als Batteriematerial noch nicht einmal von besonderer Qualität sein. Darüber hinaus bieten Aluminiumbatterien ein hohes Maß an Sicherheit, denn es gibt keine Brandgefährdung wie beim Einsatz von Lithium.

Eine realistische Anwendung, die schon in wenigen Jahren gelingen könnte, sehen die Forschenden in hochdynamischen Netzspeichern für stationäre Systeme, da hier in der Regel kostengünstige Zellen mit hoher Leistungsdichte benötigt werden. Sie sind sich sicher, dass derartige Speicher zur breiten Nutzung regenerativer Energiequellen beitragen können.

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