Aluminium zeigt Potenzial für sicherere und günstigere Batterien

Eine gute Batterie benötigt zwei Dinge: eine hohe Energiedichte, um Geräte mit Strom zu versorgen; und Stabilität, so dass es tausende Male sicher und zuverlässig aufgeladen werden kann. In den letzten drei Jahrzehnten haben Lithium-Ionen-Batterien die Oberhand gewonnen und ihre Leistungsfähigkeit in Smartphones, Laptops und Elektrofahrzeugen unter Beweis gestellt.

Aber die Batterieforscher haben begonnen, sich den Grenzen von Lithium-Ionen zu nähern. Da Langstreckenfahrzeuge und Elektroflugzeuge der nächsten Generation auf den Markt kommen, nimmt die Suche nach sichereren, günstigeren und leistungsstärkeren Batteriesystemen zu, die Lithium-Ionen-Batterien übertreffen können.

Ein Forscherteam des Georgia Institute of Technology unter der Leitung des Ingenieurs Matthew McDowell verwendet Aluminiumfolie, um Batterien mit höherer Energiedichte und größerer Stabilität herzustellen. Das neue Batteriesystem des Teams, das in Nature Communications detailliert beschrieben wird, könnte es Elektrofahrzeugen ermöglichen, mit einer einzigen Ladung länger zu fahren, wäre kostengünstiger in der Herstellung und hätte gleichzeitig positive Auswirkungen auf die Umwelt.

„Einer der Vorteile unserer Aluminiumanode besteht darin, dass sie Leistungsverbesserungen ermöglicht und sehr kostengünstig sein kann.“

- McDowell

Diese Arbeit wurde teilweise am Georgia Tech Institute for Electronics and Nanotechnology durchgeführt, einem Mitglied der National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, die von der US National Science Foundation unterstützt wird.

„Wir sind immer auf der Suche nach Batterien mit höherer Energiedichte, die es Elektrofahrzeugen ermöglichen würden, mit einer Ladung längere Strecken zurückzulegen“, sagte McDowell. „Wir können Aluminium als Batteriematerial verwenden, weil es kostengünstig, gut recycelbar und einfach zu verarbeiten ist.“

Bei der Verwendung in einer herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterie bricht Aluminium innerhalb weniger Lade-Entlade-Zyklen aufgrund der Ausdehnung und Kontraktion, wenn Lithium in das Material hinein und aus diesem heraus wandert. Die Entwickler kamen zu dem Schluss, dass Aluminium kein brauchbares Batteriematerial sei, und verwarfen die Idee weitgehend.

Jetzt sind Festkörperbatterien auf dem Vormarsch. Während Lithium-Ionen-Batterien eine brennbare Flüssigkeit enthalten, die zu Bränden führen kann, enthalten Festkörperbatterien ein festes Material, das nicht brennbar und daher wahrscheinlich sicherer ist. Festkörperbatterien ermöglichen zudem die Integration neuer Hochleistungsaktivmaterialien.

Forscher haben dem Aluminium kleine Mengen anderer Materialien hinzugefügt, um Folien mit bestimmten „Mikrostrukturen“ oder Anordnungen verschiedener Materialien herzustellen. Die Ingenieure testeten mehr als 100 verschiedene Materialien, um zu verstehen, wie sie sich in Batterien verhalten würden.

Die Aluminiumanode könnte mehr Lithium als herkömmliche Anodenmaterialien und damit mehr Energie speichern. Am Ende entwickelten die Forscher Batterien mit hoher Energiedichte, die möglicherweise Lithium-Ionen-Batterien übertreffen könnten.

„Einer der Vorteile unserer Aluminiumanode besteht darin, dass sie Leistungsverbesserungen ermöglicht und sehr kostengünstig sein kann“, sagte McDowell. „Wenn wir eine Folie direkt als Batteriekomponente verwenden, entfallen tatsächlich viele Herstellungsschritte, die normalerweise für die Herstellung eines Batteriematerials erforderlich wären.“

Elektroflugzeuge mit kurzer Reichweite werden von mehreren Unternehmen entwickelt, der limitierende Faktor sind jedoch Batterien. Heutige Batterien haben nicht genug Energie, um Flugzeuge anzutreiben und Strecken von mehr als 150 Meilen oder so zurückzulegen. Neue Batteriechemien sind erforderlich, und die Aluminiumanodenbatterien des Teams könnten die Tür zu leistungsstärkeren Batterietechnologien öffnen.