Lithium dominiert heute den Markt von wiederaufladbaren Batterien. Doch das Leichtmetall Aluminium stößt seit wenigen Jahren auf immer stärkeres Interesse der Batterieforscher. Denn es ist viel günstiger, in großen Mengen verfügbar und ermöglicht 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.
Abb.: Ladezyklen einer wiederaufladbaren Aluminium-Batterie (Bild: D. J. Kim et al., UNSW)
Anoden auf Lithiumbasis bieten mit einer Ladungsdichte von gut 2000 Milliamperestunden pro Quadratzentimeter eine gute Grundlage für leistungsfähige Akkus. Doch Aluminium könnte mit einer vierfachen Ladungsdichte zu weit effizienteren Stromspeichern führen. Der wichtigste Grund für den hohen Wert von 8045 Milliamperestunden pro Quadratzentimeter liegt in der Bereitstellung von drei Elektronen pro Atom statt nur eines einzigen wie bei Lithium. 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 mehrfach 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.
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. So gab beim Entladen jedes Aluminiumatom drei Elektronen ab. Das entstandene Aluminiumion verknüpfte sich mit je zwei Chloridionen aus dem Elektrolyten und bildete mit dem Phenanthrenchinon-Makromolekül einen metallorganischen Komplex, der sich in der Kathode einlagern konnte. Beim Aufladen der Batterie kehrte sich der Prozess um und die Aluminiumionen wanderten zur Anode zurück.
Mit einer Speicherkapazität von 110 Milliamperestunden pro Gramm speicherten diese Alu-Batterien derzeit noch nicht so viel Strom wie Lithiumionen-Akkus. Aber Dong Jun Kim und seine Kollegen sind davon überzeugt, dass sich dieser Wert mit der weiteren Entwicklung um ein Vielfaches steigern lassen könnte. Wichtiger war ihnen der experimentelle Nachweis, dass Aluminium-Batterien dank der metallorganischen Komplexe überhaupt als wiederaufladbarer Stromspeicher eignete. Mit sechs Prozent Kapazitätsverlust nach 500 Zyklen lieferte der Prototyp schon eine recht gute Zyklenfestigkeit. Und selbst nach 5000 Ladezyklen bot die Batterie noch etwa die Hälfte der ursprünglichen Kapazität.
Abb.: Eine Ölfüllung reduziert die Selbstentladung der Einweg-Stromspeicher auf Aluminiumbasis drastisch. (Bild: B. J. Hopkins)
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. Näher an der Anwendungen stehen dennoch Einwegbatterien auf Aluminiumbasis. So präsentierten Brandon Hopkins und seine Kollegen vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) erst vor wenigen Wochen eine Alu-Luft-Batterie mit einer Ladungsdichte von etwa 900 Wattstunden pro Kilogramm. Zum Vergleich: Lithiumionen-Akkus rangieren nur bei gut 150 Wattstunden pro Kilogramm.
Das Besondere an der MIT-Entwicklung war die Haltbarkeit des Prototyps. Dazu setzten die Forscher eine dünne Membran zwischen die beiden Elektroden der Batterie und erhielten zwei Teilkammern für den flüssigen Elektrolyten. Wurde die Batterie nicht genutzt, ließen die Forscher elektrisch isolierendes Silikonöl in die Batterie fließen. Das Öl schützte die Aluminiumelektrode vor Korrosion – und verhinderte so die bisher störende Selbstentladung. Um Energie aus der Batterie zu erhalten, pumpte das Team das Öl ab und schaffte so wieder Platz für den flüssigen Elektrolyten.
Hopkins und Kollegen haben ihr Alu-Luft-Konzept bereits zum Patent angemeldet. Sie sind davon überzeugt, dass Aluminium-Luft-Batterien dank des schützenden Öls künftig viele weitere Anwendungen finden. Theoretisch ließe sich die Energiedichte sogar noch um ein Vielfaches steigern. Auch wenn die Batterie nach einmaligem Gebrauch ausgetauscht und recycelt werden müsste, könnten Elektroautos damit Reichweiten von mehreren Tausend Kilometern erreichen. Heute kommen die leichten Aluminium-Luft-Batterien bereits testweise in Elektroautos und in der Raumfahrt zum Einsatz. Gelingt gar die Kombination mit metallorganischen Elektroden, die ein Wiederaufladen ermöglichen, könnten Alu-Akkus in Zukunft zu einer effizienteren Alternative von Lithium-Ionen-Akkus avancieren.
Jan Oliver Löfken
DE
