Forscher des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie (IISB) arbeiten an einer Aluminiumionen-Batterie. Diese soll eine der Alternativen zur bisher dominierenden Lithiumtechnologie werden. Denn die Nachfrage nach Speichern legt drastisch zu und in absehbarer Zeit muss die Frage nach Alternativen für seltene Materialien geklärt werden, die in den Lithiumionen-Akkus verbaut sind.
Recycling gleich mitgedacht
Bei der Entwicklung sogenannter Post-Lithium-Systeme setzen die Forscher des Fraunhofer IISB von Beginn an auf nachhaltige Zellkonzepte. „Diese berücksichtigen neben Sicherheits- und Kostenaspekten die Substitution kritischer Rohstoffe, ein recyclinggerechtes Design und weitere Anforderungen der Kreislaufwirtschaft“, betonen die Forscher. „Eine vielversprechende Batterietechnologie dafür sind die Aluminiumionen-Batterien, die am Fraunhofer THM in Freiberg entwickelt werden. “
Energiedichte vervierfacht
Dort forscht die Arbeitsgruppe Batteriematerialien des Fraunhofer IISB seit etwa fünf Jahren an einer Zellchemie auf Basis von Aluminium, die ohne Lithium auskommt. Diese Technologie verspricht neben der Vermeidung von seltenen Materialien auch eine eine volumetrische Energiedichte, die vier Mal so hoch ist, wie die der Lithiumbatterien. Aber auch das Batteriematerial Aluminium biete handfeste Vorteile in der Praxis, erklären die Forscher. „In Lithiumionenzellen fungiert eine hochreine und beschichtete Aluminiumfolie als Stromsammler. In der Aluminiumionen-Batterie übernimmt dagegen eine einfache Aluminiumfolie gleichzeitig die Funktion der Anode“, beschreiben sie den Ansatz. „Hierbei werden an das Aluminium keine besonderen Qualitätsanforderungen gestellt und marktübliche kostengünstige Folien reichen für den Zweck völlig aus.“ Außerdem seien Aluminiumbatterien sicherer, da sie kein Brandrisiko bergen wie die Lithiumbatterien.
Zellchemie mit Potenzial
Die Forscher sind bei ihrer Entwicklung schon einen großen Schritt vorangekommen. „In unseren Laborsystemen wurden mit Graphitpulver als Kathode bereits Energiedichten von 135 Wattstunden pro Kilogramm in Bezug auf die Aktivmasse gezeigt“, berichtet Ulrike Wunderwald, Leiterin der Arbeitsgruppe Batteriematerialien des Fraunhofer IISB. „Die Batterie kann in einer Zeit von weniger als 30 Sekunden voll ge- und entladen werden. Der Prozess ist reversibel und wir haben mit den Laborzellen bereits über 10.000 Zyklen mit einer Ladeeffizienz von mehr als 90 Prozent erreicht.“ Zudem haben die Ergebnisse der Forscher gezeigt, dass mehr als doppelt so viele Ladezyklen möglich sind.
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