Effektive Energiespeichermöglichkeiten sind ein Schlüsselfaktor der Energiewende. Überschüssige Energiegewinne aus Solar- und Windkraft müssen zuverlässig gespeichert werden können, um das Maximum aus erneuerbaren Energien herausholen zu können.

Das Problem: Der aktuelle Stand der Technik erfüllt nicht die nötigen Voraussetzungen. Lithium-Ionen-Batterien, die derzeit gängigsten Energiespeicher, lassen sich beispielsweise aus Kostengründen nur schwer nach oben skalieren.

Neue Formen von Batterien sind also vonnöten. Die Wissenschaft beschäftigt sich schon länger mit diesem Problem. Nun ist Forschenden aus China ein Durchbruch in der Forschung rund um Aluminium-Ionen-Akkus gelungen.

Schon frühere Studien waren dem Potenzial von Aluminium als Komponente in Energiespeichern auf der Spur. Im Oktober 2023 haben wir beispielsweise über eine US-Studie zu einer Festkörperbatterie berichtet, deren Energiedichte mit der Verwendung von Aluminium signifikant erhöht werden konnte.

Damals war es noch nicht möglich, reines Aluminium in einem Energiespeicher zu verwenden. Einer neuen Studie, die in ACS Central Science veröffentlicht wurde, ist jetzt ein Durchbruch auf diesem Gebiet gelungen.

Das Problem bisheriger Aluminium-Ionen-Batterien bestand darin, dass der verwendete Elektrolyt meist flüssiges Aluminiumchlorid war, das die Aluminiumanode korrodiert und außerdem sehr feuchtigkeitsempfindlich ist. Die Folge waren ein starker „Rückgang der elektrischen Leistung im Laufe der Zeit“ sowie eine insgesamt „mangelnde Stabilität“, wie es in der Pressemitteilung zu der neuen Studie heißt.

Die chinesischen Wissenschaftler:innen unter der Leitung von Wei Wang fügten „einem Aluminiumionen-haltigen Elektrolyten ein inertes Aluminiumfluoridsalz hinzu und verwandelte es so in einen Festkörperelektrolyten“. Außerdem verwendeten sie Fluorethylenkarbonat als Grenzflächenadditiv, „um eine dünne feste Beschichtung auf den Elektroden zu erzeugen und so die Bildung von Aluminiumkristallen zu verhindern“.

Während ersteres das Korrosionsproblem der Aluminium-Ionen-Batterie löst, sorgt Letzteres dafür, dass der neu entwickelte Energiespeicher auch über längere Zeit nicht an Leistung verliert. In ihren Experimenten konnten die Forschenden laut Pressemitteilung beides unter Beweis stellen:

„In Experimenten wurden die Feuchtigkeitsbeständigkeit sowie die physikalische und thermische Stabilität der Batterie verbessert, sodass sie wiederholten Einstichen mit scharfen Gegenständen und Temperaturen von bis zu 200 Grad Celsius standhält. Die Festkörper-Al-Ionen-Batterie hatte zudem eine außergewöhnlich lange Lebensdauer: Sie überstand 10.000 Lade-/Entladezyklen und verlor dabei weniger als ein Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität.“

Zum Vergleich: Hochleistungs-Lithium-Ionen-Batterien halten etwa 1.000 vollständige Ladezyklen lang durch.

Verglichen mit Lithium ist Aluminium ein weitaus kostengünstigeres Material, das weltweit in großen Mengen verfügbar ist. Es bringt aber noch weitere Vorteile mit sich. Lithium-Ionen-Akkus sind leicht entflammbar und bergen daher ein erhebliches Sicherheitsrisiko – ihre Aluminium-Pendants haben dieses Problem nicht.

Zudem ist das Aluminium aus den Batterien besonders gut recyclebar, was die Kosten weiter senkt und gleichzeitig die Nachhaltigkeit erhöht.

Trotz der neuen Durchbrüche ist es noch ein weiter Weg bis zur Kommerzialisierung der Aluminium-Ionen-Batterien. Es seien „weitere Verbesserungen bei Energiedichte und Lebenszyklus“ nötig, so Hauptstudienautor Wang.