Alu-Batterie zum Wiederaufladen

Sydney (Australien)/Evanston (USA) - Das Leichtmetall Aluminium stößt seit wenigen Jahren auf immer stärkeres Interesse der Batterieforscher. Denn es ist viel günstiger als Lithium und in großen Mengen verfügbar. Zudem ermöglicht Aluminium Batterien, die prinzipiell deutlich mehr Strom speichern können als alle heute verfügbaren Akkus. Bisherige Prototypen sind allerdings nur einmal nutzbar und lassen sich nicht lange lagern. Diese Nachteile hat nun ein internationales Forscherteam mit dem Zusatz organischer Moleküle aus dem Weg geräumt. Wie die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift „Nature Energy“ berichten, hielt ein erster Prototyp mehreren tausend Ladezyklen stand.

Die Aufnahme und Abgabe von Elektronen bilden die Kernprozesse in jeder Batterie. Jedes Aluminiumatom kann bei diesem Redox-Prozess drei Elektronen zur Vorfügung stellen, Lithium dagegen nur ein Elektron pro Atom. Um diesen Vorteil zu nutzen, entwarfen Dong Jun Kim von der University of New South Wales in Sydney und seine amerikanischen und koreanischen Kollegen ein neues Konzept für wieder aufladbare Aluminium-Batterien. In ihrem Prototyp verwendeten sie Aluminium für die Anode, die Kathode fertigten sie aus Graphit-Flocken und Phenanthrenchinon, einem polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoff. Als Elektrolyt diente eine chlorhaltige Flüssigkeit.

Beim Entladen gab jedes Aluminiumatom drei Elektronen ab. Das entstandene Aluminiumion verknüpfte sich mit je zwei Chlorid-Ionen aus dem Elektrolyten und bildete mit Phenanthrenchinon einen metall-organischen Komplex, der sich in der Kathode einlagern konnte. Beim Aufladen der Batterie kehrte sich der Prozess um und die Aluminiumionen wanderten zur Anode zurück. In zahlreichen Versuchen zeigte sich, dass Phenanthrenchinon das zyklische Laden und Entladen besonders gut unterstützte, wenn sich zuvor je drei dieser Moleküle zu einem größeren, dreieckigen Makromolekül verbunden hatten.

Mit einer Speicherkapazität von 110 Milliamperestunden pro Gramm speichern dies Alu-Batterien derzeit noch nicht so viel Strom wie Lithiumionen-Akkus. Aber dieser Wert könnte mit der weiteren Entwicklung um ein Vielfaches gesteigert werden. Dafür belegten Dong Jun Kim und Kollegen, dass sich Aluminium-Batterien dank der metall-organischen Komplexe sehr oft wieder aufladen lassen. Mit sechs Prozent Kapazitätsverlust nach 500 Zyklen lieferte der Prototyp schon eine gute Zyklenfestigkeit. Selbst nach 5000 Ladezyklen bot die Batterie noch etwa die Hälfte der ursprünglichen Kapazität.

Auf der Basis dieser Studie könnten in den kommenden Jahren Aluminium-Batterien entwickelt werden, die sowohl günstiger als auch leistungsfähiger als Lithium-Ionen-Akkus wären. Mögliche Anwendungen sehen die Forscher vor allem als Strompuffer für je nach Wetterlage überschüssigen Strom aus Wind- und Solaranlagen. Solche Zwischenspeicher gelten als Schlüsselelement, um die Fluktuationen der erneuerbaren Energiequellen effizient ausgleichen zu können.