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Cornell University

Aluminium-Anode für nachhaltigere Batterien

13. April 2021, 13:29 Uhr   |  Ralf Higgelke

Aluminium-Anode für nachhaltigere Batterien
© Cornell University

Diese Vergrößerung zeigt Aluminium, das auf Kohlefasern in einer Batterie-Elektrode abgeschieden wurde. Die chemische Bindung macht die Elektrode dicker und ihre Kinetik höher. Dadurch entsteht eine wiederaufladbare Batterie, die sicherer, kostengünstiger und nachhaltiger ist als Lithium-Ionen-Batterien.

Mithilfe einer Aluminium-Anode mit 3D-Struktur haben Forschende an der Cornell University eine sicherere und umweltfreundlichere Alternative zu Lithium-Ionen-Akkus vorgestellt.

Wie sich kostengünstige Materialien für wiederaufladbare Batterien verwenden lassen, um die Energiespeicherung wirtschaftlicher zu machen, haben Forschende an der Cornell University unter der Leitung von Lynden Archer untersucht. Mithilfe von Aluminium haben sie einen Akku entwickelt, der bis zu 10.000 störungsfreie Zyklen bieten.

»Ein sehr interessantes Merkmal dieser Batterie ist, dass nur zwei Elemente für Anode und Kathode verwendet werden, nämlich Aluminium und Kohlenstoff. Beide sind kostengünstig und umweltfreundlich«, so Jingxu (Kent) Zheng, Erstautor und derzeit Postdoktorand am Massachusetts Institute of Technology. »Außerdem bieten sie eine sehr hohe Zykluslebensdauer, sodass sich diese Kosten weiter reduzieren.«

Zu den Vorteilen von Aluminium gehört, dass es in der Erdkruste reichlich vorhanden ist, dass es dreiwertig und leicht ist und dass es daher mehr Energie speichern kann als viele andere Metalle. Allerdings ist es schwierig, Aluminium in die Elektroden einer Batterie zu integrieren. Es reagiert chemisch mit dem Separator aus Glasfasern, der Anode und Kathode physisch voneinander trennt. Dies kann dazu führen, dass es in der Batteriezelle zu einem Kurzschluss kommt und damit ausfällt.

Als Lösung konzipierten die Forscher ein Substrat aus miteinander verwobenen Kohlefasern, das eine noch stärkere chemische Verbindung mit Aluminium eingeht. Lädt die Batterie, lagert sich Aluminium über kovalente Bindungen, also das Teilen von Elektronenpaaren zwischen Aluminium- und Kohlenstoffatomen, in die Struktur des Kohlenstoffs ein.

Bessere Interkalation durch 3D-Struktur

Während in konventionellen Akkus die Elektroden nur zweidimensional sind, verwendet diese neue Technik eine dreidimensionale Architektur. Dadurch lagert sich das Aluminium tiefer und gleichmäßiger an und lässt sich präzise kontrollieren. »Im Grunde verwenden wir eine chemische Kraft, um Aluminium gleichmäßig in den Poren der Struktur abzuscheiden«, so Zheng. »Die Elektrode ist viel dicker und hat eine viel höhere Kinetik.«

Unter praxisnahen Bedingungen können die neuartigen Batterien mit Aluminium-Anoden um eine oder mehrere Größenordnungen häufiger reversibel geladen und entladen werden als andere Aluminium-Akkus.

»Obwohl sich die neue Elektrode oberflächlich gesehen von unseren früheren Innovationen unterscheiden, mit denen wir Elektroden aus metallischem Zink und Lithium in Batterien stabilisiert haben, ist das Prinzip dasselbe«, so Professor Archer. »Wir konstruieren Substrate, die eine große thermodynamische Kraft bereitstellen, um die Bildung von Kristallisationskeimen zu begünstigen. Ein unkontrolliertes, gefährliches Wachstum der Metallelektrode wird durch Kräfte wie zum Beispiel die Oberflächenspannung verhindert, die in kleinen Maßstäben sehr groß sein kann.«

Originalpublikation

Zheng, J., et al., Regulating Electrodeposition Morphology in High-Capacity Aluminium and Zinc Battery Anodes Using Interfacial Metal–Substrate Bonding, Nat Energy (2021). https://doi.org/10.1038/s41560-021-00797-7

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