Neues Konzept könnte umweltfreundlichere Batterien ermöglichen

01.10.2019 - Schweden

Ein neues Konzept für eine Aluminiumbatterie hat die doppelte Energiedichte gegenüber früheren Versionen und könnte zu reduzierten Produktionskosten und Umweltauswirkungen führen. Die Idee hat Potenzial für großflächige Anwendungen, einschließlich der Speicherung von Solar- und Windenergie. Forscher der Chalmers University of Technology, Schweden, und des National Institute of Chemistry, Slowenien, stehen hinter der Idee.

Die Verwendung der Aluminium-Batterie-Technologie könnte mehrere Vorteile bieten, darunter eine hohe theoretische Energiedichte und die Tatsache, dass es bereits eine etablierte Industrie für deren Herstellung und Recycling gibt. Im Vergleich zu den heutigen Lithium-Ionen-Batterien könnte das neue Konzept der Forscher zu deutlich niedrigeren Produktionskosten führen.

"Die Materialkosten und Umweltauswirkungen, die wir uns von unserem neuen Konzept versprechen, sind viel geringer als heute, so dass sie für eine großflächige Nutzung, wie beispielsweise Solarzellenparks oder die Speicherung von Windenergie, möglich sind", sagt Patrik Johansson, Professor am Department of Physics von Chalmers.

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"Außerdem hat unser neues Batteriekonzept die doppelte Energiedichte im Vergleich zu den Aluminiumbatterien, die heute Stand der Technik sind."

Bisherige Konstruktionen für Aluminiumbatterien haben das Aluminium als Anode (die negative Elektrode) - und den Graphit als Kathode (die positive Elektrode) verwendet. Aber Graphit liefert einen zu niedrigen Energiegehalt, um Batteriezellen mit einer ausreichenden Leistung zu erzeugen, die nützlich ist.

Aber in dem neuen Konzept, das von Patrik Johansson und Chalmers zusammen mit einer Forschungsgruppe in Ljubljana unter der Leitung von Robert Dominko vorgestellt wurde, wurde der Graphit durch eine organische, nanostrukturierte Kathode aus dem kohlenstoffbasierten Molekül Anthrachinon ersetzt.

Die Anthrachinonkathode wurde von Jan Bitenc, der zuvor als Gastwissenschaftler bei Chalmers aus der Gruppe am National Institute of Chemistry in Slowenien tätig war, umfassend entwickelt.

Der Vorteil dieses organischen Moleküls im Kathodenmaterial ist, dass es die Speicherung von positiven Ladungsträgern aus dem Elektrolyten, der Lösung, in der sich Ionen zwischen den Elektroden bewegen, ermöglicht, die eine höhere Energiedichte in der Batterie ermöglichen.

"Da das neue Kathodenmaterial den Einsatz eines geeigneteren Ladungsträgers ermöglicht, können die Batterien das Potenzial von Aluminium besser nutzen. Jetzt setzen wir die Arbeit fort, indem wir nach einem noch besseren Elektrolyten suchen. Die aktuelle Version enthält Chlor - das wollen wir loswerden", sagt Chalmers-Forscher Niklas Lindahl, der die internen Mechanismen der Energiespeicherung untersucht.

Bislang gibt es keine handelsüblichen Aluminiumbatterien, und selbst in der Forschung sind sie relativ neu. Die Frage ist, ob Aluminiumbatterien irgendwann Lithium-Ionen-Batterien ersetzen könnten.

"Natürlich hoffen wir, dass sie es können. Vor allem aber können sie sich ergänzen und sicherstellen, dass Lithium-Ionen-Batterien nur dort eingesetzt werden, wo es unbedingt erforderlich ist. Bisher sind Aluminiumbatterien nur halb so energiedicht wie Lithium-Ionen-Batterien, aber unser langfristiges Ziel ist es, die gleiche Energiedichte zu erreichen. Es bleibt noch viel zu tun mit dem Elektrolyten und der Entwicklung besserer Lademechanismen, aber Aluminium ist im Prinzip ein deutlich besserer Ladungsträger als Lithium, da es multivalent ist - was bedeutet, dass jedes Ion mehrere Elektronen "kompensiert". Außerdem haben die Batterien das Potenzial, deutlich weniger umweltschädlich zu sein", sagt Patrik Johansson.

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