Alternative zu Lithium-Ionen-Akkus? Aluminium-Ionen-Batterien mit verbesserter Speicherkapazität

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Besser als Graphit: Ein neuartiges Elektrodenmaterial verbessert die Speicherkapazität von Aluminium-Ionen-Batterien. Diese lassen sich laut einem Forschungsteam zudem leichter fertigen und recyclen als Lithium-Ionen-Akkus.

Wissenschaftler haben Elektrodenmaterial aus einem organischen Redox-Polymer für Aluminium-Ionen-Batterien entwickelt. Laut einer Mitteilung der Universität Freiburg verbessert dies die Speicherkapazität, wodurch die Batterien sogar Energiespeicher mit Graphit als Elektrodenmaterial übertreffen.

Demnach speicherte die Aluminium-Batterien in einem Versuch mit dem neuen Elektrodenmaterial eine bisher nicht erreichte Ladung von 167 Milliamperestunden pro Gramm (mAh/g). Bei Graphit als Elektrodenmaterial in Aluminium-Batterien liege der Wert bei 120 Milliamperestunden pro Gramm. Nach 5.000 Ladezyklen verfüge die vom Forschungsteam vorgestellte Batterie bei einer Lade- und Entladerate von sechs Minuten noch über 88 Prozent ihrer Kapazität. Bei einer längeren Lade- und Entladezeit kehrt die Batterie unverändert zu ihrer ursprünglichen Kapazität zurück.

Aluminium-Ionen-Batterien: Entwicklung noch am Anfang

Aluminium-Ionen-Batterien gelten als vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Batterien, für die knappe Rohstoffe wie Lithium verwendet werden. Aluminium ist eines der häufigsten Elemente in der Erdkruste, lässt sich leichter recyceln und ist darüber hinaus sicherer und kostengünstiger als Lithium. Jedoch steht die Entwicklung solcher Aluminium-Ionen-Batterien noch am Anfang, da es bislang an geeigneten Elektrodenmaterialien fehlt.

Ein Forschungsteam um Gauthier Studer unter Leitung von Prof. Dr. Birgit Esser von der Universität Ulm und Prof. Dr. Ingo Krossing sowie Prof. Dr. Anna Fischer von der Universität Freiburg hat nun ein positives Elektrodenmaterial entwickelt, das aus einem organischen Redox-Polymer auf Basis von Phenothiazin besteht. Das organische Redox-Polymer übertrifft nach Messungen der Forscher die Kapazität von Graphit, das bisher in den Batterien als Elektrodenmaterial verwendet wird.

Elektrodenmaterial lagert komplexe Aluminium-Anionen ein

Nach Angaben der Forscher wird das Elektrodenmaterial beim Laden der Batterie oxidiert und lagert dabei komplexe Aluminat-Anionen ein. Das organische Redox-Polymer Poly(3-vinyl-N-Methylphenothiazin) schaffe es auf diese Weise, während der Ladung zwei [AlCl4]­−-Anionen reversibel einzulagern.

Als Elektrolyt verwendeten die Forschenden Ethylmethylimidazoliumchlorid als ionische Flüssigkeit unter Zusatz von Aluminiumchlorid. „Die Erforschung von Aluminium-Batterien ist ein 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."

Durch die Untersuchung der Redox-Eigenschaften von Poly(3-vinyl-N-Methylphenothiazin) in der Chloroaluminat-basierten ionischen Flüssigkeit habe man einen bedeutenden Durchbruch erzielt, indem erstmals ein reversibler Zwei-Elektronen-Redox-Prozess für ein phenothiazinbasiertes Elektrodenmaterial nachgewiesen wurde.

Nach 5.000 Ladezyklen bei 10 C behält Batterie 88 Prozent ihrer Kapazität

Poly(3-vinyl-N-Methylphenothiazin) lagert die [AlCl4]−-Anionen bei Potenzialen von 0,81 und 1,65 Volt ein und liefert spezifische Kapazitäten von bis zu 167 mAh/g. Demgegenüber liege die Entladungskapazität von Graphit als Elektrodenmaterial in Aluminium-Batterien bei 120 mAh/g, erklärt Studer. Nach 5.000 Ladezyklen verfüge die vorgestellte Batterie bei 10 C – das steht für eine Lade- und Entladerate von 6 Minuten – noch über 88 Prozent ihrer Kapazität. Bei einer niedrigeren C-Rate, die einer längeren Lade- und Entladezeit entspricht, kehre die Batterie sogar unverändert zu ihrer ursprünglichen Kapazität zurück.

„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“, sagt Birgit Esser.

Die Ergebnisse der Forschung sind in der Zeitschrift „Energy & Environmental Science“ erschienen. (me)

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