Alu-Batterie zum Wiederaufladen

  • 04. December 2018

Prototyp zeigt dank metall-organischer Elektroden großes Potenzial für günstige Stromspeicher.

Lithium dominiert heute den Markt von wieder­auflad­baren Batterien. Doch das Leicht­metall Aluminium stößt seit wenigen Jahren auf immer stärkeres Interesse der Batterie­forscher. Denn es ist viel günstiger, in großen Mengen verfüg­bar und ermöglicht Batterien, die prinzipiell deutlich mehr Strom speichern können als alle heute verfüg­baren Akkus. Bisherige Proto­typen sind aller­dings nur einmal nutzbar und lassen sich nicht lange lagern. Diese Nach­teile hat nun ein inter­nationales Forscher­team mit dem Zusatz organischer Moleküle aus dem Weg geräumt.

Abb.: Ladezyklen einer wiederaufladbaren Aluminium-Batterie (Bild: D. J. Kim et al., UNSW)

Abb.: Ladezyklen einer wiederaufladbaren Aluminium-Batterie (Bild: D. J. Kim et al., UNSW)

Anoden auf Lithiumbasis bieten mit einer Ladungs­dichte von gut 2000 Milli­ampere­stunden pro Quadrat­zentimeter eine gute Grund­lage für leistungs­fähige Akkus. Doch Aluminium könnte mit einer vier­fachen Ladungs­dichte zu weit effizienteren Strom­speichern führen. Der wichtigste Grund für den hohen Wert von 8045 Milli­ampere­stunden pro Quadrat­zentimeter liegt in der Bereit­stellung von drei Elektronen pro Atom statt nur eines einzigen wie bei Lithium. Um diesen Vorteil zu nutzen, entwarfen Dong Jun Kim von der University of New South Wales in Sydney und seine amerikanischen und koreanischen Kollegen ein neues Konzept für mehr­fach auflad­bare Aluminium-Batterien. In ihrem Proto­typ verwendeten sie Aluminium für die Anode, die Kathode fertigten sie aus Graphit-Flocken und Phenanthren­chinon, einem poly­zyklischen aromatischen Kohlen­wasser­stoff. Als Elektrolyt diente eine chlor­haltige Flüssig­keit.

In zahlreichen Versuchen zeigte sich, dass Phenanthren­chinon das zyklische Laden und Ent­laden besonders gut unterstützte, wenn sich zuvor je drei dieser Moleküle zu einem größeren, drei­eckigen Makro­molekül verbunden hatten. So gab beim Ent­laden jedes Aluminium­atom drei Elektronen ab. Das entstandene Aluminium­ion verknüpfte sich mit je zwei Chlorid­ionen aus dem Elektrolyten und bildete mit dem Phenanthren­chinon-Makro­molekül einen metall­organischen Komplex, der sich in der Kathode einlagern konnte. Beim Auf­laden der Batterie kehrte sich der Prozess um und die Aluminium­ionen wanderten zur Anode zurück.

Mit einer Speicherkapazität von 110 Milliampere­stunden pro Gramm speicherten diese Alu-Batterien derzeit noch nicht so viel Strom wie Lithium­ionen-Akkus. Aber Dong Jun Kim und seine Kollegen sind davon über­zeugt, dass sich dieser Wert mit der weiteren Entwicklung um ein Viel­faches steigern lassen könnte. Wichtiger war ihnen der experimentelle Nachweis, dass Aluminium-Batterien dank der metall­organischen Komplexe über­haupt als wieder­auflad­barer Strom­speicher eignete. Mit sechs Prozent Kapazitäts­verlust nach 500 Zyklen lieferte der Proto­typ schon eine recht gute Zyklen­festigkeit. Und selbst nach 5000 Lade­zyklen bot die Batterie noch etwa die Hälfte der ursprünglichen Kapazität.

Abb.: Eine Ölfüllung reduziert die Selbstentladung der Einweg-Stromspeicher auf Aluminiumbasis drastisch. (Bild: B. J. Hopkins)

Abb.: Eine Ölfüllung reduziert die Selbstentladung der Einweg-Stromspeicher auf Aluminiumbasis drastisch. (Bild: B. J. Hopkins)

Auf der Basis dieser Studie könnten in den kommenden Jahren Aluminium-Batterien entwickelt werden, die sowohl günstiger als auch leistungs­fähiger als Lithium-Ionen-Akkus wären. Mögliche Anwendungen sehen die Forscher vor allem als Strom­puffer für je nach Wetter­lage über­schüssigen Strom aus Wind- und Solar­anlagen. Näher an der Anwendungen stehen dennoch Einweg­batterien auf Aluminium­basis. So präsentierten Brandon Hopkins und seine Kollegen vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) erst vor wenigen Wochen eine Alu-Luft-Batterie mit einer Ladungs­dichte von etwa 900 Watt­stunden pro Kilo­gramm. Zum Vergleich: Lithium­ionen-Akkus rangieren nur bei gut 150 Wattstunden pro Kilo­gramm.

Das Besondere an der MIT-Entwicklung war die Haltbar­keit des Proto­typs. Dazu setzten die Forscher eine dünne Membran zwischen die beiden Elektroden der Batterie und erhielten zwei Teil­kammern für den flüssigen Elektrolyten. Wurde die Batterie nicht genutzt, ließen die Forscher elektrisch isolierendes Silikon­öl in die Batterie fließen. Das Öl schützte die Aluminium­elektrode vor Korrosion – und verhinderte so die bisher störende Selbst­entladung. Um Energie aus der Batterie zu erhalten, pumpte das Team das Öl ab und schaffte so wieder Platz für den flüssigen Elektrolyten.

Hopkins und Kollegen haben ihr Alu-Luft-Konzept bereits zum Patent angemeldet. Sie sind davon überzeugt, dass Aluminium-Luft-Batterien dank des schützenden Öls künftig viele weitere Anwendungen finden. Theoretisch ließe sich die Energie­dichte sogar noch um ein Viel­faches steigern. Auch wenn die Batterie nach ein­maligem Gebrauch aus­getauscht und recycelt werden müsste, könnten Elektro­autos damit Reich­weiten von mehreren Tausend Kilo­metern erreichen. Heute kommen die leichten Aluminium-Luft-Batterien bereits test­weise in Elektro­autos und in der Raum­fahrt zum Einsatz. Gelingt gar die Kombination mit metall­organischen Elektroden, die ein Wieder­aufladen ermöglichen, könnten Alu-Akkus in Zukunft zu einer effizienteren Alternative von Lithium-Ionen-Akkus avancieren.

Jan Oliver Löfken

DE

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