Neues Design sorgt für längere Lebensdauer von Aluminiumbatterien

"Dieses neue Al-Ionen-Batteriekonzept zeigt das Potenzial für ein langlebiges, kostengünstiges und hochsicheres Energiespeichersystem"

29.01.2025

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GroßBatterien für die Langzeitspeicherung von Solar- und Windenergie sind der Schlüssel zur Integration reichhaltiger und erneuerbarer Energiequellen in das US-Stromnetz. Es mangelt jedoch an sicheren und zuverlässigen Batterietechnologien, um den Vorstoß in Richtung nachhaltige, saubere Energie zu unterstützen. Jetzt haben Forscher, die in ACS Central Science berichten, eine kostengünstige und umweltfreundliche Aluminium-Ionen-Batterie (Al-Ion) entwickelt, die diese Aufgabe erfüllen könnte.

Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion-Batterien) finden sich in vielen gängigen Geräten der Unterhaltungselektronik, einschließlich Elektrowerkzeugen und Elektrofahrzeugen. Diese Batterien sind wegen ihrer hohen Energiedichte allgegenwärtig. Doch Lithium ist für die großen Batteriesysteme, die für die Energiespeicherung im großen Maßstab benötigt werden, unerschwinglich, und die Entflammbarkeit von Lithium-Ionen-Batterien stellt ein erhebliches Sicherheitsrisiko dar. Potenzielle Ersatzstoffe für zuverlässige Langzeit-Energiespeichersysteme sind wiederaufladbare Al-Ionen-Batterien. Deren gängigster Elektrolyt, flüssiges Aluminiumchlorid, lässt jedoch die Aluminiumanode korrodieren und ist sehr feuchtigkeitsempfindlich, was die Korrosion verschlimmert. Beide Faktoren tragen zu einer schlechten Stabilität und einem Rückgang der elektrischen Leistung im Laufe der Zeit bei. Wei Wang, Shuqiang Jiao und Kollegen wollten daher eine verbesserte Al-Ionen-Batterie ohne diese Einschränkungen entwickeln.

Das Team fügte einem Al-Ionen-haltigen Elektrolyten ein inertes Aluminiumfluoridsalz hinzu und verwandelte ihn in einen Festkörperelektrolyten. Das Aluminiumfluorid-Salz hat eine poröse 3D-Struktur, die es den Aluminiumionen ermöglicht, leicht durch den Elektrolyten zu hüpfen und die Leitfähigkeit zu erhöhen. Darüber hinaus verwendeten die Forscher bei der Konstruktion ihrer Al-Ionen-Batterie Fluorethylencarbonat als Grenzflächenadditiv, um eine dünne, feste Beschichtung auf den Elektroden zu erzeugen, die die Bildung von Aluminiumkristallen verhindert, die den Zustand der Batterie beeinträchtigen.

In Experimenten wurden die Feuchtigkeitsbeständigkeit sowie die physikalische und thermische Stabilität der Batterie verbessert, so dass sie wiederholten Stößen mit einem scharfen Gegenstand und Temperaturen von bis zu 392 Grad Celsius standhalten konnte. Die Al-Ionen-Festkörperbatterie hat außerdem eine außergewöhnlich lange Lebensdauer: Sie hält 10.000 Lade-/Entladezyklen durch und verliert dabei weniger als 1 % ihrer ursprünglichen Kapazität. Darüber hinaus konnte der größte Teil des Aluminiumfluorids durch einfaches Waschen zurückgewonnen und dann in einer anderen Batterie mit leicht verringerter Leistung wiederverwendet werden. Die neue Batterie könnte die Produktionskosten von Al-Ionen-Batterien senken und ihre Lebensdauer verlängern, was ihre Praxistauglichkeit erhöht.

"Dieses neue Al-Ionen-Batteriekonzept zeigt das Potenzial für ein langlebiges, kostengünstiges und hochsicheres Energiespeichersystem. Die Möglichkeit der Rückgewinnung und des Recyclings von Schlüsselmaterialien macht die Technologie nachhaltiger", sagt Wang. Die Forscher fügen hinzu, dass vor der Kommerzialisierung weitere Verbesserungen bei der Energiedichte und dem Lebenszyklus erforderlich sind.

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Originalveröffentlichung

Ke Guo, Wei Wang, Wei-Li Song, Shijie Li, Xueyan Du, Shuqiang Jiao; "A Recyclable Inert Inorganic Framework Assisted Solid-State Electrolyte for Long-Life Aluminum Ion Batteries"; ACS Central Science, 2024-12-19

https://www.chemie.de/news/1185431/neues-design-sorgt-fuer-laengere-lebensdauer-von-aluminiumbatterien.html