Batterie 4.0 - Aluminium-Ionen-Batterie als potentieller Nachfolger der Lithiumtechnologie |
Am Fraunhofer THM wird an Aluminium-Ionen-Batterien (AIB) als Weiterentwicklung der Lithiumtechnologie geforscht. Die Schnellladefähigkeit der neuen Batterien wurde bei hoher Zyklenstabilität und mit hoher Ladeeffizienz nachgewiesen. Aluminium-Ionen-Batterien verzichten auf kritische Rohstoffe, verringern Gefährdungsrisiken und sind kostengünstiger. Eine potentielle Anwendung für die AIB sind stationäre hochdynamische Netzspeicher zur Nutzung regenerativer Energien.
Die Prognosen sind sich einig. Sie alle sagen einen drastisch
steigenden Bedarf an elektrischen Speichern für mobile und stationäre
Anwendungen voraus. Um die Nachfrage zu decken, bedarf es erheblicher
Anstrengungen bei der Weiterentwicklung etablierter Batteriesysteme.
Gleichzeitig müssen verstärkt neuartige Material¬systeme, so genannte
Post-Lithium-Systeme, in einem absehbaren Zeitraum zur Marktreife
geführt werden. Dabei bietet sich bei der Technologieentwicklung der
große Vorteil, von Beginn an auf nachhaltige Zellkonzepte zu setzen.
Diese berücksichtigen neben Sicherheits- und Kostenaspekten die
Substitution kritischer Rohstoffe, ein recycling-gerechtes Design und
weitere Anforderungen der Kreislaufwirtschaft. Eine vielversprechende
Batterietechnologie dafür sind die Aluminium-Ionen-Batterien, die am
Fraunhofer THM in Freiberg entwickelt werden.
Simple Aluminiumfolie
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 bietet das Batteriematerial Aluminium handfeste
Vorteile in der Praxis. In Lithium-Ionenzellen fungiert eine hochreine
und beschichtete Aluminiumfolie als Stromsammler. In der
Aluminium-Ionen-Batterie (AIB) übernimmt dagegen eine einfache
Aluminiumfolie gleichzeitig die Funktion der Anode. Hierbei werden an
das Aluminium 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.
Zellchemie mit Potential
Ulrike
Wunderwald, Leiterin der Arbeitsgruppe Batteriematerialien des
Fraunhofer IISB, berichtet über die vielversprechenden Entwicklungen:
„In unseren Laborsystemen wurden mit Graphitpulver als Kathode bereits
Energiedichten von 135Wh/kg in Bezug auf die Aktivmasse gezeigt. 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 % 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
und wir arbeiten bereits mit anwendungs¬relevanten Zellkonzepten wie
Knopfzellen und Pouch-Zellen. Diese Zellchemie hat ein enormes
Potential.“
Kostengünstig, sicher, nachhaltig
Durch
ihren vereinfachten Aufbau bieten Aluminium-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. Ebenso können in
Aluminium-Ionen-Batterien günstige Elektrolyte auf der Basis von
Harnstoff verwendet werden, wie aktuelle Forschungs¬ergebnisse des
Fraunhofer THM zeigen (siehe Infolink). 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 das Potential 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.
Den Artikel finden Sie unter:
https://www.iisb.fraunhofer.de/de/press_media/pressemitteilungen/pressearchiv/archiv_2021/thm_aluminium-ionen-batterie.html
Quelle: Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB (08/2021) |