Alu-Batterie schafft 10.000 Ladezyklen

Am Technologiezentrum Hochleistungsmaterialien (THM) des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie (IISB) wird seit Jahren an Aluminium-Ionen-Batterien (AIB) als Weiterentwicklung der Lithiumtechnologie geforscht. Die Schnellladefähigkeit der neuen Batterien wurde nun bei hoher Zyklenstabilität und mit hoher Ladeeffizienz nachgewiesen.

Aluminium-Ionen-Batterien verzichten auf kritische Rohstoffe, verringern Gefährdungsrisiken und sind kostengünstiger. Eine potentielle Anwendung für die AIB sind stationäre hochdynamische Netzspeicher zur Nutzung regenerativer Energien.

Neben einer theoretisch vierfach höheren volumetrischen Energiedichte als metallisches Lithium bietet das Batteriematerial Aluminium handfeste Vorteile in der Praxis. In Lithium-Ionen-Batteriezellen fungiert eine hochreine und beschichtete Aluminiumfolie als Stromsammler. In der Aluminium-Ionen-Batterie (AIB) übernimmt dagegen eine einfache Aluminiumfolie gleichzeitig die Funktion der Anode.

Dabei werden laut den Forschenden an das Aluminium keine besonderen Qualitätsanforderungen gestellt und marktübliche kostengünstige Folien reichen für den Zweck völlig aus. Ebenso bieten Aluminiumbatterien ein hohes Maß an Sicherheit, denn es gibt keine Brandgefährdung wie beim Einsatz von Lithium.

Ulrike Wunderwald, Leiterin der Arbeitsgruppe Batteriematerialien des Fraunhofer IISB, sieht hier sehr vielversprechende Entwicklungen: „In unseren Laborsystemen wurden mit Graphitpulver als Kathode bereits Energiedichten von 135 Wh/kg in Bezug auf die Aktivmasse gezeigt. Die Batterie kann in einer Zeit von weniger als 30 Sekunden voll ge- und entladen werden. Wir haben mit den Laborzellen bereits über 10.000 Zyklen mit einer Ladeeffizienz von mehr als 90 Prozent erreicht.“ Die jüngsten Ergebnisse deuten darauf hin, dass auch noch mehr als doppelt so viele Ladezyklen möglich sind. „Unsere Zellen funktionieren dabei unter normalen Umgebungsbedingungen und wir arbeiten bereits mit anwendungsrelevanten Zellkonzepten wie Knopfzellen und Pouch-Zellen. Diese Zellchemie hat ein enormes Potential“, so Wunderwald weiter.

Durch ihren vereinfachten Aufbau bieten Aluminium-Ionen-Batterien den Vorteil einer kostengünstigeren Fertigung mit reduziertem Prozessaufwand. Ebenso können in Aluminium-Ionen-Batterien günstige Elektrolyte auf der Basis von Harnstoff verwendet werden, wie weitere aktuelle Forschungsergebnisse des Fraunhofer THM zeigen.

Eine realistische Anwendung für AIB, die schon in wenigen Jahren gelingen könnte, wären etwa hochdynamische Netzspeicher in stationären Systemen, da hier in der Regel kostengünstige Zellen mit hoher Leistungsdichte benötigt werden.