Fraunhofer erforscht Aluminium-Ionen-Batterie als potentiellen Nachfolger der Lithiumtechnologie

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Copyright Abbildung(en): Fraunhofer THM / Maximilian Wassner

Die Prognosen sind sich einig: Sie alle sagen einen drastisch steigenden Bedarf an elektrischen Speichern für mobile und stationäre Anwendungen voraus. Um die Nachfrage zu decken, bedarf es erheblicher Anstrengungen bei der Weiterentwicklung etablierter Batteriesysteme. Gleichzeitig müssen verstärkt neuartige Materialsysteme, so genannte Post-Lithium-Systeme, in einem absehbaren Zeitraum zur Marktreife geführt werden, so das Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB in einer aktuellen Mitteilung.

Dabei bietet sich bei der Technologieentwicklung der große Vorteil, von Beginn an auf nachhaltige Zellkonzepte zu setzen. Diese berücksichtigen neben Sicherheits- und Kostenaspekten die Substitution kritischer Rohstoffe, ein recycling-gerechtes Design und weitere Anforderungen der Kreislaufwirtschaft. Eine vielversprechende Batterietechnologie dafür seien Aluminium-Ionen-Batterien, die am Fraunhofer-Technologiezentrum Hochleistungsmaterialien THM in Freiberg entwickelt werden.

Am THM erforscht die Arbeitsgruppe Batteriematerialien des Fraunhofer IISB seit etwa fünf Jahren eine Lithium-freie und Aluminium-basierte Zellchemie. Neben einer theoretisch vierfach höheren volumetrischen Energiedichte als metallisches Lithium biete das Batteriematerial Aluminium weitere handfeste Vorteile in der Praxis. In Lithium-Ionen-Zellen fungiert eine hochreine und beschichtete Aluminiumfolie als Stromsammler. In der Aluminium-Ionen-Batterie (AIB) übernimmt dagegen eine einfache Aluminiumfolie gleichzeitig die Funktion der Anode. Hierbei werden 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.

Eine Zellchemie mit Potential

Ulrike Wunderwald, Leiterin der Arbeitsgruppe Batteriematerialien des Fraunhofer IISB, berichtet über die vielversprechenden Entwicklungen: „In unseren Laborsystemen wurden mit Graphitpulver als Kathode bereits Energiedichten von 135Wh/kg in Bezug auf die Aktivmasse gezeigt. 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 mehr als 10.000 Zyklen mit einer Ladeeffizienz von mehr als 90 Prozent erreicht“. Die neuesten Ergebnisse der Forschenden zeigen, dass sogar noch mehr als doppelt so viele Ladezyklen möglich seien, was erheblich über dem liegt, was etablierte Lithium-Ionen-Batterien erreichen. „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“, sagt Wunderwald.

Durch ihren vereinfachten Aufbau bieten Aluminium-Ionen-Batterien den Vorteil einer kostengünstigeren Fertigung mit reduziertem Prozessaufwand. Dabei ist Aluminium als Ressource unkritisch und muss als Batteriematerial noch nicht einmal von besonderer Qualität sein. Ebenso können in Aluminium-Ionen-Batterien günstige Elektrolyte auf der Basis von Harnstoff verwendet werden, wie aktuelle Forschungs­ergebnisse des Fraunhofer THM zeigen. Die nachgewiesene Schnellladefähigkeit bei hoher Zyklenstabilität und mit hoher Ladeeffizienz spricht für die elektrischen Eigenschaften dieser Zellchemie.

Die vergleichsweise geringen Gefährdungsrisiken, der Verzicht auf kritische Rohstoffe und nicht zuletzt der Kostenvorteil zeigen sehr deutlich das Potential der Aluminium-Ionen-Batterie als preiswerte und sichere Lösung für zukünftige elektrische Speicher. Eine realistische Anwendung, die schon in wenigen Jahren gelingen könnte, wären beispielsweise hochdynamische Netzspeicher in stationären Systemen, da hier in der Regel kostengünstige Zellen mit hoher Leistungsdichte benötigt werden. Derartige Speicher sind unverzichtbar für die breite Nutzung regenerativer Energiequellen und damit ein wesentlicher Baustein der Energiewende.

Quelle: Fraunhofer – Pressemitteilung vom 17.08.2021

Über den Autor

Michael Neißendorfer ist E-Mobility-Journalist und hat stets das große Ganze im Blick: Darum schreibt er nicht nur über E-Autos, sondern auch andere Arten fossilfreier Mobilität sowie über erneuerbare Energien und Nachhaltigkeit im Allgemeinen.

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Das ist so eine Klassiker-Meldung in allen Elektro-Portalen: Firma/Uni/Institut XY hat einen Wunder Akku erfunden. Er kann alles, kostet nichts und erholt die Umwelt. Eine Fernfahrt in einem Prototyp, wo man dann zumindest Gewicht, Größe, Kapazität und Ladegeschwindigkeit testen könnte, gibt es nie. So ist das auch hier.

Klingt sehr vielversprechend. Bei der Batterieentwicklung wird es bestimmt noch viele Fortschritte geben.

Heute wird in Deutschland viel Strom in Pumpspeicherkraftwerken zwischengespeichert.
Der Winkungsgrad eines PSW beträgt ca. 75-85%. Hinzu kommen Leistungsverluste, da die PSW nicht dort im Netz sind wo es betriebliche Vorteile für das Netz bringt. Sondern an guten Standorten für die PSW. Große Batteriespeicher könnten direkt an Umspannwerken liegen.
Heute kann ein PSW mit 1GW und 1000 Volllaststunden die Jahresproduktion einiger großer Windparks nur für seine Verluste brauchen.
Daher wären langfristig wirtschaftliche Batteriespeicher mit gutem Wirkungsgrad vorteilhaft.

Batterien sind nicht nur im E-Auto wichtig.

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

Noch wichtiger sind Batterien in der stationären Anwendung. Millionen Haushalten dürften sie in einigen Jahren in Verbindungen mit PV-Anlagen eine autarke Strom- und mittels Erdwärmepumpen auch eine autarke Energieversorgung gewährleisten, ganz ohne Heizöl, Erdgas, Holz/Pellets, Kohle usw.

Dazu braucht es vor allem günstige Batterien, ob es jetzt die Aluminium-Ionen-Batterie oder eine andere Batterieart ist, das ist egal, Hauptsache sie ist günstig, damit sie sich viele Bürger leisten können.

Die Industrie darf sich dann gerne mit dem Wasserstoff und den E-Fuels herum schlagen.

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