Forschung -

Aluminium könnte das Lithium in Batterien ersetzen

Während Handys, Laptops und Fahrzeuge immer effizienter werden, kann die Weiterentwicklung der jeweiligen Batterie für die notwendige Leistungsversorgung nicht mithalten.

"In praktisch jeder Batterie ist irgendetwas, das entweder selten vorhanden oder giftig oder aber teuer ist. Das sind die Probleme der heutigen Batterieindustrie, " sagte Professor Apparao Rao von der Clemson University. Er ist zudem Direktor des 'Clemson Nanomaterials Institute'.

So haben zum Beispiel die heutigen Lithium-Ionen-Batterien eine hohe Leistungsdichte (sie laden schnell) und eine hohe Energiedichte (sie bleiben recht lange geladen).

Aber Lithium ist selten, teuer und giftig. Es kann auch Dendriten entwickeln, die möglicherweise die Batterie kurzschließen oder sogar ein Feuer verursachen können.

Aus diesen Gründen ersetzte das Forscherteam das Lithium mit Aluminium als Schlüsselelement zukünftiger Batterien.

Rao: "Wir wickeln unsere Nahrung in Aluminiumfolie; sie ist damit ungiftig. Aluminium ist zudem weitaus reichlicher vorhanden als Lithium - 8 Prozent der Erdkruste gegenüber 0,006 Prozent - das senkt die Kosten."

Aluminium transferiert Energie zudem effizienter als Lithium. Innerhalb einer Batterie gibt das Element - Lithium oder Aluminium - einige der Elektronen ab, die durch den Verbraucher wandern.

Aufgrund der atomaren Struktur können Lithiumionen pro Zeiteinheit nur ein Elektron abgeben, aber Aluminium kommt auf drei Elektronen. Rao: "Für sichere und bessere Batterien ist das sehr von Vorteil."

Aber von anderen Forschern entwickelte Aluminiumionenbatterien konnten von der Performance her bisher nicht mit Lithium-Ionen-Batterien gleichziehen.

Das Clemson-Team scheint zu wissen, warum das so ist. In ihrem Forschungsbericht in "Nano Energy' beschreiben sie, wie sie die Aluminiumionen dazu brachten, besser als die früheren Aluminiumionenbatterien zu funktionieren.

"Das Problem ist nicht, dass die Aluminiumionen mangelhaft sind," sagte Graduiertenstudent Anthony Childress. "Es geht vielmehr darum, dass wir seit einiger Zeit die Lithiumionen sehr gut kennen, während wir nur wenig darüber wissen, wie sich die Aluminiumionen innerhalb der Batterie verhalten."

Für die neue Batterietechnologie verwendeten die Forscher Aluminiumfolie und dünne Grafitblätter (Wenigschichtengraphen) als Elektrode, um die elektrische Ladung von den Aluminiumionen, die sich im Elektrolyt befinden, zu speichern.

"Wir wussten, dass man Aluminiumionen innerhalb des Wenigschichtengraphen speichern könnte. Aber die Ionen müssen effizient angeordnet werden, um die Batteriekapazität zu erhöhen. "

"Die Anordnung der Aluminiumionen innerhalb des Graphens ist für eine bessere Batterieperformance kritisch. Frühere Versuche, die Kapazität von Aluminiumbatterien zu erhöhen, waren nicht sehr erfolgreich" sagte Rao.

Eine Grund für die geringe Performance anderer Batterieprototypen könnten Defekte in der Kathode sein.

Aufgrund langjähriger Untersuchungen an den Kapazitäten des Wenigschichtengraphen wussten die Clemsonphysiker ganz genau, was sie erwarten konnten.

Hinzu kam deren Expertise in der Ramanspektroskopie, mit der sich molekulare Signaturen identifizieren und messen lassen. Damit waren die Forscher in der Lage, die Aluminiumionenbatterien zu testen und deren Kapazitäten zu bestätigen.

"Diese Aluminiumbatterien überstehen 10000 Zyklen ohne jeden Performanceverlust. Wir hoffen, dass wir Aluminiumbatterien mit hoher Kapazität fertigen können, die letztendlich die Lithium-Ionen-Technologie ersetzen sollen," so Rao.

Der nächste Schritt für die Forscher in Richtung einer kommerziell funktionsfähigen Aluminiumionenbatterie ist die Kostensenkung. Obwohl Aluminium relativ kostengünstig ist, sind die Kosten für die Elektrolyte, so Rao, recht hoch.

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