Projekt ALBATROS Weitere Arbeiten an der Aluminium-Ionen-Batterie

Von Gerd Kucera

Im Projekt ALBATROS entwickelt ein Konsortium aus Forschung und Industrie die Aluminium-Ionen-Batterie (AIB) weiter. Besonders im Fokus: die Abläufe in der Batteriezelle und an den Grenzflächen zwischen Elektroden und Elektrolyt.

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Kontaktierung von Laborzellen für die Untersuchung der elektrochemischen Leistungsfähigkeit von Aluminium-Ionen-Batterien (AIB) am FraunhoferTechnologiezentrum Hochleistungsmaterialien THM in Freiberg.
Kontaktierung von Laborzellen für die Untersuchung der elektrochemischen Leistungsfähigkeit von Aluminium-Ionen-Batterien (AIB) am FraunhoferTechnologiezentrum Hochleistungsmaterialien THM in Freiberg.
(Bild: Ulrike Wunderwald/Fraunhofer IISB)

Das Konsortium im Projekt ALBATROS widmet sich auf eine substanzielle Weiterentwicklung der Aluminium-Ionen-Batterie. Ziel des Projektes ist es, ein umfassendes Grundlagenverständnis für die Abläufe in der Batteriezelle und insbesondere an den Grenzflächen zwischen Elektroden und Elektrolyt zu schaffen. Die neuartige aluminiumbasierte Zellchemie besitzt ein vielversprechendes Potenzial hinsichtlich Sicherheit, Zyklenfestigkeit und Laderate. Besonders relevant ist dabei der Verzicht auf kritische Rohstoffe, wie beispielsweise Lithium, Nickel oder Cobalt.

Innerhalb des Projekts ALBATROS (Alternative Materialsysteme für stationäre Batteriespeicher auf Basis von Aluminium als Anodenmaterial zur Substitution kritischer Rohstoffe) arbeiten das Fraunhofer IISB (Erlangen/Freiberg), die IoLiTec GmbH (Heilbronn), das DECHEMA-Forschungsinstitut (DFI, Frankfurt am Main) und das Institut für Anorganische Chemie der Technische Universität Bergakademie Freiberg zusammen. Das Projekt ALBATROS wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.

Für stationäre elektrische Speicher wird eine deutliche Bedarfssteigerung prognostiziert. Schon heute lasse sich absehen, so das Fraunhofer IISB, dass dieses starke Wachstum nicht mit den herkömmlichen Batterietechnologien zu decken ist. Gerade hinsichtlich der bislang eingesetzten kritischen Rohstoffe und der Kosten für Batteriespeicher sind zeitnah Alternativen zu den etablierten Zell-Chemien gefragt. Eine vielversprechende Option ist die Aluminium-Ionen-Batterie (AIB). Erste Funktionsmuster wurden bereits am Technologiezentrum Hochleistungsmaterialen (THM) des Fraunhofer IISB in Freiberg vorgestellt.

Verglichen mit Blei-Säure- oder Li-Ionen-Batterien biete die Aluminium-IonenTechnologie deutliche Vorteile insbesondere in Bezug auf Fertigungskosten und Rohstoffverfügbarkeit. Aber auch im Hinblick auf das Gefährdungspotential und die Wiederverwertbarkeit könne die Aluminium-Ionen-Batterie durch den Einsatz nichtbrennbarer Elektrolyte eine durchaus überzeugende Alternative sein.

Für die AIB lassen sich preisgünstiges Aluminium sowie Graphit als Elektrodenmaterialien verwenden. Die Elektrolyte basieren auf sogenannten ionischen Flüssigkeiten und ermöglichen im Zusammenspiel mit den übrigen Materialien überhaupt erst den reversiblen Ladevorgang der Aluminium-Ionen-Batterie. Die Zyklenstabilität wird mit über 20.000 Zyklen als sehr hoch bewertet und die Laderaten mit über 150 C benannt (ein Koeffizient von 1C bedeutet, dass eine Batterie innerhalb von 1 Stunde komplett ge- oder entladen ist, ein C-Koeffizient kleiner als 1, dass es länger als 1 Stunde dauert und ein C-Koeffizient größer als 1, dass es weniger als 1 Stunde dauert).

Damit bergen weiterentwickelte Aluminium-Graphit-Systeme ein enormes Potential für zukünftige Anwendungen, so das Fraunhofer IISB. Die Nichtentflammbarkeit der Komponenten und des Elektrolyten macht die AIB dabei zu einer sicheren Speichervariante, zum Beispiel für Strom aus fluktuierenden regenerativen Energiequellen.

Wann ist die Aluminium-Ionen-Batterie erhältlich?

Bis zur Markteinführung der AIB bedarf es allerdings noch weiterer wissenschaftlicher Vorarbeiten. Eine besondere Herausforderung ist dabei das stark korrosive Verhalten der bisher in der AIB eingesetzten Elektrolyten. Bevor anwendungsrelevante Prototyp-3-Zellen für Tests zur Verfügung stehen, müssen noch umfangreiche Materialqualifizierungen, Prüfungen und Zertifizierungen durchgeführt werden.

Für die theoretische Fundierung der neuartigen Zellchemie konzentrieren sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf die grundlegenden chemischen Mechanismen und materialspezifische Einflussgrößen. Unter anderem werden dafür die kinetischen Parameter der Aluminium-Auflösung und -Abscheidung auf der Aluminium-Anode für unterschiedliche Elektrolytzusammensetzungen untersucht.

Ebenso steht der Ein- und Austrag von Ladungsträgern in bzw. aus der Graphit-Matrix im Fokus. Das schließt auch gezielte Analysen der Spezies der Ladungsträger ein. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Untersuchung von Selbstentladungsprozessen. Dieser Effekt ist für spätere Anwendungen von besonderem Interesse.

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