Projekt ALBATROS: Aluminium-Ionen-Batterien als alternative Speichertechnologie für stationäre Anwendungen

Für stationäre elektrische Speicher wird eine deutliche Bedarfssteigerung prognostiziert. Schon heute lässt sich absehen, dass dieses starke Wachstum nicht mit den herkömmlichen Batterietechnologien zu decken ist. Gerade hinsichtlich der bislang eingesetzten kritischen Rohstoffe und der Kosten für Batteriespeicher sind zeitnah Alternativen zu den etablierten Zellchemien gefragt. Eine vielversprechende Option ist die Aluminium-Ionen-Batterie (AIB). Erste Funktionsmuster wurden bereits am Technologiezentrum Hochleistungsmaterialen (THM) des Fraunhofer IISB in Freiberg vorgestellt (siehe Infolinks).

Verglichen mit Blei-Säure- oder Li-Ionen-Batterien bietet die Aluminium-Ionen-Technologie deutliche Vorteile insbesondere in Bezug auf Fertigungskosten und Rohstoffverfügbarkeit. Aber auch im Hinblick auf das Gefährdungspotential und die Wiederverwertbarkeit können Aluminium-Ionen-Batterien durch den Einsatz nicht-brennbarer Elektrolyte eine durchaus überzeugende Alternative sein.

Für die AIB lassen sich preisgünstiges Aluminium sowie Graphit als Elektroden­materialien verwenden. Die Elektrolyte basieren auf sogenannten ionischen Flüssigkeiten und ermöglichen im Zusammenspiel mit den übrigen Materialien überhaupt erst den reversiblen Ladevorgang der Aluminium-Ionen-Batterie. Mit der sehr hohen Zyklenstabilität von über 20.000 Zyklen und Laderaten von mehr als 150 C bergen weiterentwickelte Aluminium-Graphit-Systeme ein enormes Potential für zukünftige Anwendungen. Die Nichtentflammbarkeit der Komponenten und des Elektrolyten macht die AIB dabei zu einer sicheren Speichervariante, zum Beispiel für Strom aus fluktuierenden regenerativen Energiequellen.

Bis zur Markteinführung der AIB bedarf es allerdings noch weiterer wissenschaftlicher Vorarbeiten. Eine besondere Herausforderung ist dabei das stark korrosive Verhalten der bisher in der AIB eingesetzten Elektrolyten. Bevor anwendungsrelevante Prototyp-Zellen für Tests zur Verfügung stehen, müssen umfangreiche Materialqualifizierungen, Prüfungen und Zertifizierungen durchgeführt werden. Für die theoretische Fundierung der neuartigen Zellchemie konzentrieren sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf die grundlegenden chemischen Mechanismen und materialspezifische Einflussgrößen. Unter anderem werden dafür die kinetischen Parameter der Aluminium-Auflösung und -Abscheidung auf der Aluminium-Anode für unterschiedliche Elektrolytzusammensetzungen untersucht. Ebenso steht der Ein- und Austrag von Ladungsträgern in bzw. aus der Graphit-Matrix im Fokus. Das schließt auch gezielte Analysen der Spezies der Ladungsträger ein. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Untersuchung von Selbstentladungsprozessen. Dieser Effekt ist für spätere Anwendungen von besonderem Interesse.

Die gewonnenen Erkenntnisse sind die unverzichtbare Basis für die Auslegung, Weiterentwicklung und Optimierung anwendungsnaher und nachhaltiger AIB-Speichersysteme. Hierbei wird als realistischer erster Schritt eine Anwendung in stationären elektrischen Speichersystemen angestrebt. So kann die Aluminium-Ionen-Batterie ein essentieller Baustein für den Ausbau der dringend benötigten Speicherkapazitäten sein und zum Erfolg der Energiewende beitragen. Das Projekt ALBATROS leistet elementare Beiträge für die Realisierung effizienter, langlebiger, kostengünstiger, umweltverträglicher und gut recycelbarer Batteriekomponenten.

Projekt ALBATROS wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.

Fraunhofer THM

Das Fraunhofer Technologiezentrum für Hochleistungsmaterialien THM ist eine Forschungs- und Transferplattform des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB und des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme IKTS. Im Rahmen von Industrieaufträgen und öffentlich geförderten Projekten werden gemeinsam Halbleiter- und Energiematerialien in neue Anwendungen überführt, unter besonderer Berücksichtigung des zukünftigen stofflichen Recyclings. Ein Schwerpunkt der Arbeiten am Fraunhofer THM sind die Analyse und die Entwicklung von nachhaltigen Batteriesystemen mit verbesserter Ökobilanz und Rohstoffverfügbarkeit im Vergleich zu etablierten Batterietechnologien.