Alternative zu Lithium-Ionen-Akkus

Kommt bald die Aluminium-Ionen-Batterie?

17. August 2021, 14:27 Uhr | Ralf Higgelke

Die wichtigsten Komponenten einer Aluminium-Ionen-Batterie: Graphitpulver, Alufolie und ein spezieller Elektrolyt, der aus einer bei Raumtemperatur flüssigen Salzschmelze besteht.

Nachdem CATL die Kommerzialisierung der Natrium-Ionen-Batterie angekündigt hat, melden sich jetzt noch andere Alternativen. Forschende am Fraunhofer THM arbeiten an der Aluminium-Ionen-Zelle, die derzeit 135Wh/kg hat, aber in 30 Sekunden geladen und entladen werden kann.

Da der Bedarf an elektrischen Speichern für mobile und stationäre Anwendungen weiter stark steigt, müssen etablierte Batteriechemien weiterentwickelt und gleichzeitig sogenannte Post-Lithium-Systeme zur Marktreife geführt werden – etwa die Natrium-Ionen- oder die Aluminium-Ionen-Batterie.

Am Technologiezentrum Hochleistungsmaterialien (THM) in Freiberg erforscht die Arbeitsgruppe Batteriematerialien des Fraunhofer IISB seit etwa fünf Jahren eine lithiumfreie, aluminiumbasierte Zellchemie. Neben einer theoretisch vierfach höheren volumetrischen Energiedichte als metallisches Lithium bietet dieses Batteriematerial handfeste Vorteile in der Praxis.

In Lithium-Ionen-Zellen fungiert eine hochreine und beschichtete Alufolie als Stromsammler. In der Aluminium-Ionen-Batterie übernimmt dagegen eine einfache Aluminiumfolie gleichzeitig die Funktion der Anode. An das Aluminium werden hierbei keine besonderen Qualitätsanforderungen gestellt und marktübliche kostengünstige Folien reichen für den Zweck völlig aus. Ebenso bieten Aluminiumbatterien ein hohes Maß an Sicherheit, denn es gibt keine Brandgefährdung wie beim Einsatz von Lithium.

»In unseren Laborsystemen haben wir mit Graphitpulver als Kathode bereits Energiedichten von 135Wh/kg in Bezug auf die Aktivmasse erreicht«, 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. Unsere neuesten Ergebnisse zeigen, dass auch noch mehr als doppelt so viele Ladezyklen möglich sind. Das liegt ganz deutlich über dem, was etablierte Lithium-Ionen-Batterien ausweisen. Unsere Zellen funktionieren dabei unter normalen Umgebungsbedingungen. Auch arbeiten wir bereits mit anwendungsrelevanten Zellkonzepten wie Knopf- und Pouch-Zellen. Diese Zellchemie hat ein enormes Potential.«

Kostengünstig, sicher, nachhaltig

Durch ihren einfachen Aufbau dürften sich Aluminium-Ionen-Batterien kostengünstig mit reduziertem Prozessaufwand fertigen lassen. Aluminium als Ressource ist unkritisch und muss als Batteriematerial noch nicht einmal von besonderer Qualität sein. Ebenso eignen sich günstige Elektrolyte auf der Basis von Harnstoff für den Einsatz in Aluminium-Ionen-Batterien, wie aktuelle Forschungsergebnisse des Fraunhofer THM zeigen [1].

Die nachgewiesene Schnellladefähigkeit bei hoher Zyklenstabilität und mit hoher Ladeeffizienz spricht für die elektrischen Eigenschaften dieser Zellchemie. Die vergleichsweise geringen Gefährdungsrisiken, der Verzicht auf kritische Rohstoffe und nicht zuletzt der Kostenvorteil zeigen sehr deutlich, wie hoch das Potenzial der Aluminium-Ionen-Batterie als preiswerte und sichere Lösung für zukünftige elektrische Speicher.

Eine realistische Anwendung, die schon in wenigen Jahren gelingen könnte, wären beispielsweise hochdynamische Netzspeicher in stationären Systemen, da hier in der Regel kostengünstige Zellen mit hoher Leistungsdichte benötigt werden. Derartige Speicher sind unverzichtbar für die breite Nutzung regenerativer Energiequellen und damit ein wesentlicher Baustein der Energiewende.