Projekt „Albatros“: Erforschung von Lithium-freien Aluminium-Ionen-Batterien gestartet

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In einem neuen Projektkonsortiums wird an Aluminium-Ionen-Batterien geforscht. Schon seit einigen Jahren beschäftigen sich Forschende an verschiedenen Einrichtungen mit der Suche nach einem Ersatz für Lithium-Ionen-Batterien. Kosten, der Verbrauch von seltenen Rohstoffen, Anbaubedingungen dieser Rohstoffe sowie die Flammbarkeit und Recyclefähigkeit sind Argumente, die gegen den Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien sprechen.

Nachdem bereits in der Vergangenheit schon Vanadium-Redox-Flow-Batterien als Alternative im stationären Bereich kommerzialisiert wurden, kamen zuletzt auch Calcium- und Natrium-Ionen-Batterien hinzu. Unter dem Projektnamen „Albatros“, ein Akronym für „Alternative Materialsysteme für stationäre Batteriespeicher auf Basis von Aluminium als Anodenmaterial zu Substitution kritischer Rohstoffe“, finden sich das Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie (IISB), zu dem auch das Technologiezentrum Hochleistungsmaterialien (THM) gehört, das Dechema-Forschungsinstitut aus Frankfurt am Main, Iolitec GmbH aus Heilbronn und das Institut für anorganische Chemie der Technischen Universität Bergakademie Freiberg zusammen. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert das Projekt.

Für die theoretische Fundierung der neuartigen Zellchemie konzentrieren sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf die grundlegenden chemischen Mechanismen und materialspezifische Einflussgrößen. Zunächst werden die Konsortialpartner ein umfassendes Grundlagenverständnis für die Abläufe in der Batteriezelle, im Speziellen an den Grenzflächen zwischen Elektroden und Elektrolyt schaffen. Als Elektrode kann bei dieser Art von Batterien Graphit zum Einsatz kommen. So kann auf seltene Rohstoffe wie Kobalt, Mangan und Nickel komplett verzichtet werden.

Bereits seit fünf Jahren wird am Fraunhofer IISB an Aluminium-Ionen-Batterien geforscht. Die Ergebnisse dieser Arbeit bilden den Ausgangspunkt für die weitere Forschung innerhalb des Konsortiums. Auch wenn eine Kommerzialisierung noch in weiter Ferne erscheint, waren Forschungsergebnisse aus vorangegangenen Studien des Fraunhofer IISB vielversprechend. Zum Beispiel ließ sich feststellen, dass die Ladeeffizienz nach 10.000 Zyklen noch bei 90 Prozent lag. Die Forschenden gehen davon aus, dass Aluminium-Ionen-Batterien 20.000 Ladezyklen locker mitmachen würden. Ein weiteres technologisches Highlight solcher Batterien ist die Ladegeschwindigkeit. Mit 150 C soll die Be- und Entladung möglich sein. Im Versuchsaufbau ließen sich Batterien so in gerade einmal 30 Sekunden laden.

Auch die Energiedichte von 135 Wattstunden pro Kilogramm, die die Forschenden des Fraunhofer-Instituts in ersten Versuchen erreicht haben, bilden einen vielversprechenden Ausgangspunkt für weitere Entwicklung. Noch gibt es nicht einmal anwendungsrelevante Prototypen, die für Tests zur Verfügung stehen. Bis es so weit ist, stehen noch umfangreiche Materialqualifizierungen, Prüfungen und Zertifizierungen aus.

Aus den bisherigen Forschungsergebnissen lässt sich ableiten, dass es besonders bei den eingesetzten Elektrolyten noch Entwicklungsbedarf gibt. Zurzeit wären diese zwar sehr günstig und nicht flammbar, da sie auf Harnstoff basieren, jedoch zeigen sie auch stark korrosives Verhalten an den Elektroden. So werden die Forschenden die kinetischen Parameter der Aluminium-Auflösung und -Abscheidung auf der Aluminium-Anode für unterschiedliche Elektrolytzusammensetzungen untersuchen. Außerdem werde man auch den Ein- und Austrag von Ladungsträgern in und aus der Graphit-Matrix untersuchen. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Untersuchung von Selbstentladungsprozessen. Als realistische erste Anwendung stellen die Konsortialpartner einen stationären Speicher in Aussicht.

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