Alu-Akku: Höhere Spannungen dank doppelter Ionenwanderung

Prototyp mit Elektroden aus Aluminium und Grafit zeigt hohe Energiedichte – Alternative zu Lithium-Ionen-Akkus könnte günstig gefertigt werden
Akku aus Aluminium und Grafit: Positiv (Li+) und negativ (PF6-) geladene Ionen steigern Ladekapazität
Akku aus Aluminium und Grafit: Positiv (Li+) und negativ (PF6-) geladene Ionen steigern Ladekapazität
© X. Zhang et al., Shenzhen Institutes of Advanced Technology
Shenzen (China) - Mehr Strom, kürzere Ladezeiten und eine günstige Produktion: Diese Ziele sollen in Zukunft nicht nur Lithium-Ionen-Akkus mit neuen Materialien erreichen. Auch ungewöhnliche Konzepte wie der Dual-Ionen-Akku versprechen höhere Ladekapazitäten als heute verfügbare Stromspeicher. Bei diesem Batterietyp wandern nicht nur positiv geladene Lithium-Ionen zwischen den Elektroden, sondern zusätzlich auch negativ geladene Ionen. Eine chinesische Forschergruppe präsentierte nun eine Aluminium-Grafit-Batterie, die relativ stabil ist und hohe Werte für die spezifische Energie - Leistung pro Masse – liefert. Ihren Prototyp stellen die Forscher in der Fachzeitschrift „Advanced Energy Materials“ vor.

„Unsere Batterie ist deutlich leichter und günstiger und hat zudem eine höhere Energiedichte als konventionelle Lithium-Ionen-Akkus“, sagt Yongbing Tang von den Shenzhen Institutes of Advanced Technology. Für beide Elektroden – Anode und Kathode - verwendeten verwendeten Tang und Kollegen eine nur 15 Mikrometer dünne Folie aus Aluminium. Die Kathode, der Pluspol einer Batterie, beschichteten sie zusätzlich mit einer hauchdünnen Schicht aus Grafit. Als Elektrolyten, der eine hohe Energiedichte ermöglichen sollte, füllten sie eine organische Flüssigkeit – Kohlensäureethylmethylester - in ihren Prototyp.

Beim Aufladen der Batterie wanderten Lithium-Ionen zur Aluminiumelektrode. Beide Metalle bildeten eine Aluminium-Lithium-Legierung. Gleichzeitig drifteten negativ geladene Ionen aus Hexafluorophosphat zur Grafitelektrode und lagerten sich in der Grafitschicht ein. Wurde daraufhin die Batterie wieder entladen, gingen beide Ionen-Typen wieder in den flüssigen Elektrolyten über.

Bisher litten solche Dual-Ionen-Akkus auf Aluminiumbasis unter einer geringen Haltbarkeit, da sich bei der Bildung der Aluminium-Lithium-Legierung relativ schnell Risse bildeten und sich Teile der Elektrode pulverisierten. Dieses Problem konnten die Forscher durch einen Zusatz von Vinylencarbonat zum flüssigen Elektrolyten lösen. So optimiert, blieb der Akku auch nach 200 Ladezyklen noch stabil. Mit unterschiedlichen Laderaten getestet zeigte der Dual-Ionen-Akku eine spezifische Energiedichte von 222 Wattstunden pro Kilogramm bei einer Leistungsdichte von 132 Watt pro Kilogramm. Damit konnte er mindestens zehn Prozent bessere Werte aufweisen als derzeit auf dem Markt verfügbare Lithium-Ionen-Systeme. Tang hält sogar eine Verdopplung der Energiedichte bei einer Halbierung der Produktionskosten für möglich. Ein weiterer Vorteil waren die vergleichsweise hohen Spannungen von knapp fünf Volt, mit der sich sogar zwei Leuchtdioden in Reihe geschaltet versorgen ließen. Lithium-Ionen-Akkus erreichen nur geringere Spannungswerte von etwa 3,7 Volt.

Mit diesem Prototypen konnten Yongbing Tang und Kollegen demonstrieren, dass Dual-Ionen-Akkus durchaus eine Alternative zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Systemen darstellen. Vorteilhaft könnten sich in Zukunft die geringen Kosten für die Elektrodenmaterialien erweisen. Deutlich günstigere Akkus wären damit möglich. Allerdings müsste der Rückgang der Ladekapazität von derzeit zwölf Prozent nach 200 Ladezyklen noch verringert werden. Zudem gilt es, eine Langzeitstabilität von deutlich über 1000 Ladezyklen zu erreichen.

Auch in Deutschland wird an Dual-Ionen-Akkus geforscht, am Batterieforschungszentrums MEET in Münster. Im Rahmen des von der Bundesregierung geförderten Projekts „Insider“ stehen die potenziell günstigen Fertigungskosten von Akkus mit hohen Spannungen von bis zu 5,3 Volt im Mittelpunkt. Statt Hexafluorophosphat-Ionen werden hier beispielsweise Bis(trifluoromethansulfonyl)imid-Ionen in die positive Graphit-Elektrode eingelagert. Bis zur Marktreife von Dual-Ionen-Akkus ist allerdings noch mit einigen Entwicklungsjahren zu rechnen.

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