Dual-Ionen-Akku aus Aluminium und Graphit

Auf der Suche nach leistungsfähigeren Akkus experimentieren Forscher nicht nur mit neuen Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien. Auch grundlegend neue Konzepte wie der Dual-Ionen-Akku versprechen höhere Ladekapazitäten als verfügbare Akkus. Bei diesen wandern nicht nur positiv geladene Lithium-Ionen zwischen den Elektroden, sondern zusätzlich noch negativ geladene Ionen wie etwa Hexa­fluoro­phosphat. Eine chinesische Forscher­gruppe präsentierte nun eine Aluminium-Graphit-Batterie, die über den Austausch von Anionen und Kationen hohe Werte für die spezifische Energie lieferte.

Xiaolong Zhang und seine Kollegen von den Shenzhen Institutes of Advanced Technology verwendeten sowohl die Anode als auch Kathode eine nur 15 Mikrometer dünne Folie aus Aluminium. Die Kathode beschichteten sie zusätzlich mit einer Graphit­schicht. Als Elektrolyten, der eine hohe Energiedichte ermöglichen sollte, füllten sie Kohlen­­säure­­ethyl­­methyl­­ester (Ethyl­methyl­carbonat, EMC) in ihren Prototyp.

Beim Aufladen der Batterie wanderten Lithium-Ionen zur Aluminium­elektrode, beide Metalle bildeten eine Legierung. Zur Graphit­elektrode wanderten negativ geladene Hexa­fluoro­phosphat-Ionen und lagerten sich in der Graphitschicht ein. Beim Entladen gingen beide Ionen-Typen wieder in den flüssigen Elektrolyten über.

Bisher litten Dual-Ionen-Akkus auf Aluminium­basis unter einer geringen Haltbarkeit, da sich bei der Bildung der Aluminium-Lithium-Legierung relativ schnell Risse bildeten und Teile der Elektrode sich pulverisierten. Dieses Problem konnten die Forscher durch einen Zusatz von Vinylen­carbonat (etwa zwei Gewichts­prozent) zum Elektrolyten lösen. Auch nach 200 Ladezyklen zeigte der Akku eine gute Stabilität.

Mit unterschiedlichen Laderaten getestet zeigte dieser Dual-Ionen-Akku eine spezifische Energiedichte von 222 Wattstunden pro Kilogramm bei einer Leistungsdichte von 132 Watt pro Kilogramm. Damit konnten sie gut zehn Prozent bessere Werte aufweisen als derzeit auf dem Markt verfügbare Lithium-Ionen-Systeme. Ein weiterer Vorteil waren die vergleichsweise hohen Spannungen von knapp fünf Volt, mit der sich sogar zwei LED in Reihe geschaltet versorgen ließen. Lithium-Ionen-Akkus erreichen Spannungs­werte von etwa 3,7 Volt.

Mit diesem Prototypen konnten Xiaolong Zhang und Kollegen demonstrieren, dass Dual-Ionen-Akkus durchaus eine Alternative zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Systemen darstellen. Vorteilhaft könnten sich in Zukunft die geringen Kosten für die Elektroden­material erweisen, um signifikant günstigere Akkus zu entwickeln. Allerdings müsste der Rückgang der Lade­kapazität von derzeit zwölf Prozent bei 200 Ladezyklen noch verringert werden. Zudem gilt es, eine Langzeitstabilität von deutlich über 1000 Ladezyklen zu erreichen.

Auch in Deutschland wird an Dual-Ionen-Akkus am Batterie­forschungs­zentrums MEET in Münster geforscht. Im Rahmen des von der Bundes­regierung geförderten Projekts „Insider“ stehen die potenziell günstigen Fertigungs­kosten von Akkus mit hohen Spannungen von bis zu 5,3 Volt im Mittelpunkt. Statt Hexa­­fluoro­phosphat-Ionen werden hier beispielsweise Bis(tri­fluoro­methan­sulfonyl)imid-Ionen in die positive Graphit-Elektrode eingelagert. Bis zur Marktreife von Dual-Ionen-Akkus ist allerdings noch mit einigen Entwicklungs­­jahren zu rechnen.

Jan Oliver Löfken

DE