Wissenschaftler entwickeln Aluminium

Jul 08, 2023

Von der Universität Freiburg, 17. August 2023

Forscher haben ein positives Elektrodenmaterial für Aluminium-Ionen-Batterien entwickelt, das ein organisches Redoxpolymer verwendet, das eine höhere Kapazität als Graphit aufweist. Das Elektrodenmaterial durchlief erfolgreich 5.000 Ladezyklen und behielt 88 % seiner Kapazität bei 10 °C, was einen bedeutenden Fortschritt in der Entwicklung von Aluminiumbatterien darstellt.

Aluminium-Ionen-Batterien erweisen sich als potenzieller Nachfolger herkömmlicher Batterien, die auf schwer zu beschaffenden und schwierig zu recycelnden Materialien wie Lithium basieren. Diese Verschiebung wird auf die Häufigkeit von Aluminium in der Erdkruste, seine Recyclingfähigkeit sowie seine vergleichbare Sicherheit und Kosteneffizienz gegenüber Lithium zurückgeführt.

Dennoch befindet sich die Weiterentwicklung von Aluminium-Ionen-Batterien noch im Anfangsstadium, da die Forscher noch nach geeigneten Elektrodenmaterialien suchen, die eine ausreichende Speicherkapazität bieten können. Ein Durchbruch auf diesem Gebiet gelang kürzlich einem Forscherteam unter der Leitung von Prof. Dr. Birgit Esser von der Universität Ulm und Prof. Dr. Ingo Krossing und Prof. Dr. Anna Fischer von der Universität Freiburg unter der Leitung von Gauthier Studer. Das Team hat ein positives Elektrodenmaterial entwickelt, das aus einem organischen Redoxpolymer auf Basis von Phenothiazin besteht.

Im Experiment speicherten Aluminiumbatterien mit diesem Elektrodenmaterial eine bisher unerreichte Kapazität von 167 Milliamperestunden pro Gramm (mAh/g). Das organische Redox-Polymer übertrifft damit die Kapazität von Graphit, das bisher meist als Elektrodenmaterial in Batterien verwendet wird. Die Ergebnisse erschienen in der Fachzeitschrift Energy & Environmental Science.

Beim Laden der Batterie wird das Elektrodenmaterial oxidiert und nimmt dadurch komplexe Aluminat-Anionen auf. Auf diese Weise gelingt es dem organischen Redoxpolymer Poly(3-vinyl-N-methylphenothiazin), beim Laden zwei [AlCl4]−-Anionen reversibel einzufügen. Als Elektrolyt verwendeten die Forscher die ionische Flüssigkeit Ethylmethylimidazoliumchlorid mit Zusatz von Aluminiumchlorid.

Das schematische Diagramm der Batterie zeigt den Redoxprozess, bei dem das Elektrodenmaterial oxidiert und Aluminatanionen abgeschieden werden. Bildnachweis: Birgit Esser / Universität Freiburg

„Die Erforschung von Aluminiumbatterien ist ein spannendes Forschungsgebiet mit großem Potenzial für zukünftige Energiespeichersysteme“, sagt Gauthier Studer. „Unser Fokus liegt auf der Entwicklung neuer organischer redoxaktiver Materialien, die hohe Leistung und reversible Eigenschaften aufweisen. Durch die Untersuchung der Redoxeigenschaften von Poly(3-vinyl-N-methylphenothiazin) in ionischen Flüssigkeiten auf Chloraluminatbasis gelang uns ein bedeutender Durchbruch, indem wir erstmals einen reversiblen Zwei-Elektronen-Redoxprozess für ein Elektrodenmaterial auf Phenothiazinbasis demonstrierten. ”

Poly(3-vinyl-N-methylphenothiazin) lagert die [AlCl4]−-Anionen bei Potentialen von 0,81 und 1,65 Volt ab und bietet spezifische Kapazitäten von bis zu 167 mAh/g. Im Gegensatz dazu beträgt die Entladekapazität von Graphit als Elektrodenmaterial in Aluminiumbatterien 120 mAh/g. Nach 5.000 Ladezyklen hat der vom Forschungsteam vorgestellte Akku bei 10 °C, also bei einer Lade- und Entladerate von 6 Minuten, immer noch 88 Prozent seiner Kapazität. Bei einem niedrigeren C-Wert, also einer längeren Lade- und Entladezeit, erreicht der Akku unverändert seine ursprüngliche Kapazität.

„Mit seiner hohen Entladespannung und spezifischen Kapazität sowie seinem hervorragenden Kapazitätserhalt bei schnellen C-Raten stellt das Elektrodenmaterial einen großen Fortschritt in der Entwicklung wiederaufladbarer Aluminiumbatterien und damit fortschrittlicher und erschwinglicher Energiespeicherlösungen dar“, sagt Birgit Esser .

Referenz: „Auf einer Hochleistungs-Aluminiumbatterie mit einem Zwei-Elektronen-Phenothiazin-Redoxpolymer als positive Elektrode“ von Gauthier Studer, Alexei Schmidt, Jan Büttner, Maximilian Schmidt, Anna Fischer, Ingo Krossing und Birgit Esser, 22. Mai 2023, Energie & Umweltwissenschaften.DOI: 10.1039/D3EE00235G

Das Projekt wurde gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) (Projekt AMPERE im SPP 2248 – Polymerbasierte Batterien, POLiS – EXC 2154, livMatS – EXC 2193) sowie durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt, den bwForCluster JUSTUS 2, die Eva Mayr-Stihl-Stiftung (Saltus!) und das Land Baden-Württemberg (bwHCP).