Forscher des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie (IISB) arbeiten an einer Aluminiumionen-Batterie. Diese soll eine der Alternativen zur bisher dominierenden Lithiumtechnologie werden. Denn die Nachfrage nach Speichern legt drastisch zu und in absehbarer Zeit muss die Frage nach Alternativen für seltene Materialien geklärt werden, die in den Lithiumionen-Akkus verbaut sind.
Recycling gleich mitgedacht
Bei der Entwicklung sogenannter Post-Lithium-Systeme setzen die Forscher des Fraunhofer IISB von Beginn an auf nachhaltige Zellkonzepte. „Diese berücksichtigen neben Sicherheits- und Kostenaspekten die Substitution kritischer Rohstoffe, ein recyclinggerechtes Design und weitere Anforderungen der Kreislaufwirtschaft“, betonen die Forscher. „Eine vielversprechende Batterietechnologie dafür sind die Aluminiumionen-Batterien, die am Fraunhofer THM in Freiberg entwickelt werden. “
Energiedichte vervierfacht
Dort forscht die Arbeitsgruppe Batteriematerialien des Fraunhofer IISB seit etwa fünf Jahren an einer Zellchemie auf Basis von Aluminium, die ohne Lithium auskommt. Diese Technologie verspricht neben der Vermeidung von seltenen Materialien auch eine eine volumetrische Energiedichte, die vier Mal so hoch ist, wie die der Lithiumbatterien. Aber auch das Batteriematerial Aluminium biete handfeste Vorteile in der Praxis, erklären die Forscher. „In Lithiumionenzellen fungiert eine hochreine und beschichtete Aluminiumfolie als Stromsammler. In der Aluminiumionen-Batterie übernimmt dagegen eine einfache Aluminiumfolie gleichzeitig die Funktion der Anode“, beschreiben sie den Ansatz. „Hierbei werden an das Aluminium keine besonderen Qualitätsanforderungen gestellt und marktübliche kostengünstige Folien reichen für den Zweck völlig aus.“ Außerdem seien Aluminiumbatterien sicherer, da sie kein Brandrisiko bergen wie die Lithiumbatterien.
Zellchemie mit Potenzial
Die Forscher sind bei ihrer Entwicklung schon einen großen Schritt vorangekommen. „In unseren Laborsystemen wurden mit Graphitpulver als Kathode bereits Energiedichten von 135 Wattstunden pro Kilogramm in Bezug auf die Aktivmasse gezeigt“, berichtet Ulrike Wunderwald, Leiterin der Arbeitsgruppe Batteriematerialien des Fraunhofer IISB. „Die Batterie kann in einer Zeit von weniger als 30 Sekunden voll ge- und entladen werden. Der Prozess ist reversibel und wir haben mit den Laborzellen bereits über 10.000 Zyklen mit einer Ladeeffizienz von mehr als 90 Prozent erreicht.“
Zudem haben die Ergebnisse der Forscher gezeigt, dass mehr als doppelt so viele Ladezyklen möglich sind. „Das liegt ganz deutlich über dem, was etablierte Lithiumionen-Batterien ausweisen“, sagt Wunderwald. „Unsere Zellen funktionieren dabei unter normalen Umgebungsbedingungen und wir arbeiten bereits mit anwendungsrelevanten Zellkonzepten wie Knopfzellen und Pouchzellen. Diese Zellchemie hat ein enormes Potential“, betont die Forschungsleiterin.
Kostengünstige Fertigung im Blick
Die Forscher denken aber auch an die Überführung in die Massenfertigung. Diese kann aufgrund des einfachen Aufbaus der Aluminiumionen-Batterien sehr kostengünstigeren und mit reduziertem Prozessaufwand realisiert werden. „Dabei ist Aluminium als Ressource unkritisch und muss als Batteriematerial noch nicht einmal von besonderer Qualität sein“, betonen die Wissenschaftler. „Ebenso können in Aluminiumionen-Batterien günstige Elektrolyte auf der Basis von Harnstoff verwendet werden, wie aktuelle Forschungsergebnisse des Fraunhofer THM zeigen.“
Schnelles Laden ist möglich
Die Forscher haben auch die Schnellladefähigkeit der Aluminiumbatterien bei hoher Zyklenstabilität nachgewiesen. Die spreche für die elektrischen Eigenschaften dieser Zellchemie. Dadurch bieten sie sich nicht nur als Fahrzeugbatterien an, sondern in hochdynamischen Netzspeicher in stationären Systemen, wo kostengünstige Zellen mit hoher Leistungsdichte benötigt werden.
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