Mit organischem Redox-Polymer die Kapazität von Aluminium-Ionen-Batterien verbessern

Aluminium-Ionen-Batterien scheinen sich zu einer wahren Alternative zu den aktuell vorherrschenden Lithium-Ionen-Batterien zu entwickeln. Im Gegensatz zu Lithium ist Aluminium in großen Mengen vorhanden, leicht recycelbar und auch kostengünstig. Deutschen gelang nun einen wichtiger Fortschritt hinsichtlich der Speicherkapazität, denn bislang fehlte es an einem geeigneten Elektrodenmaterial für die Aluminium-Ionen-Batterien.

Das Forschungsteam um Gauthier Studer von der Universität Ulm hat gemeinsam mit Wissenschaftler der Universität Freiburg nun ein positives Elektrodenmaterial entwickelt, das aus einem organischen Redox-Polymer auf Basis von Phenothiazin besteht, wie es erklärte. Die Aluminium-Batterien hätten bei Versuchen mit diesem Elektrodenmaterial eine bisher nicht erreichte Ladung von 167 Milliamperestunden pro Gramm gespeichert. Das organische Redox-Polymer übertreffe damit die Kapazität von Graphit, das bisher in den Alumium-Ionen-Batterien als Elektrodenmaterial verwendet worden sei, so die Forscher.

Das neu entwickelte Elektrodenmaterial oxidiere beim Laden der Batterie und lagere dabei komplexe Aluminat-Anionen ein. Das organische Redox-Polymer Poly(3-vinyl-N-Methylphenothiazin) schafft es auf diese Weise, während der Ladung zwei [AlCl4]¬−-Anionen reversibel einzulagern, wie die Wissenschaftler erklärten. Als Elektrolyt verwendeten sie Ethylmethylimidazoliumchlorid als ionische Flüssigkeit unter Zusatz von Aluminiumchlorid. Die Ergebnisse der Forscher zeigen, dass Poly(3-vinyl-N-Methylphenothiazin) die [AlCl4]−-Anionen bei Potenzialen von 0,81 und 1,65 Volt einlagert. Es liefere spezifische Kapazitäten von bis zu 167 Milliamperestunden pro Gramm.

Als Entladekapazität von Graphit als Elektrodenmaterial in Aluminium-Batterien sind bisher Ergebnisse von etwa 120 Milliamperestunden pro Gramm erzielt worden. Weitere Tests der Freiburger Wissenschaftler ergaben, dass die Aluminium-Ionen-Batterie nach 5000 Ladezyklen bei 10 C, also bei einer Lade- und Entladerate von 6 Minuten, noch über 88 Prozent ihrer Kapazität verfüge. Bei einer niedrigeren C-Rate, also einer längeren Lade- und Entladezeit, kehrt die Batterie unverändert zu ihren ursprünglichen Kapazitäten zurück, wie es weiter hieß. „Mit seiner hohen Entladespannung und spezifischen Kapazität sowie seiner guten Kapazitätserhaltung bei schnellen C-Raten stellt das Elektrodenmaterial einen großen Fortschritt in der Entwicklung von wiederaufladbaren Aluminium-Batterien und somit von fortschrittlichen und erschwinglichen Energiespeicherlösungen dar“, erklärte Birgit Esser, Professorin an der ebenfalls beteiligten Universität Ulm.

Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie kürzlich in der Zeitschrift „Energy & Environmental Science“. „Die Erforschung von Aluminium-Batterien ist ein aufregendes Forschungsfeld mit großem Potenzial für zukünftige Energiespeichersysteme“, sagt Gauthier Studer. „Unser Fokus liegt darauf, neue organische redox-aktive Materialien zu entwickeln, die eine hohe Leistungsfähigkeit und reversible Eigenschaften aufweisen.“ Die Untersuchung der Redox-Eigenschaften von Poly(3-vinyl-N-Methylphenothiazin) in der Chloroaluminat-basierten ionischen Flüssigkeit sei ein bedeutender Durchbruch. Erstmals konnten die Forscher damit einen reversiblen Zwei-Elektronen-Redox-Prozess für ein phenothiazinbasiertes Elektrodenmaterial nachweisen.

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