Große Batterien zur Langzeitspeicherung von Solar- und Windenergie sind der Schlüssel zur Integration reichlich vorhandener und erneuerbarer Energiequellen in das US-Stromnetz. Es mangelt jedoch an sicheren und zuverlässigen Batterietechnologien, um den Vorstoß in Richtung nachhaltiger, sauberer Energie zu unterstützen. Jetzt berichten Forscher ACS Zentralwissenschaft haben eine kostengünstige und umweltfreundliche Aluminium-Ionen-Batterie (Al-Ion) entwickelt, die diesen Anforderungen gerecht werden könnte.
Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) sind in vielen gängigen Unterhaltungselektronikgeräten enthalten, darunter Elektrowerkzeuge und Elektrofahrzeuge. Aufgrund ihrer hohen Energiedichte sind diese Batterien allgegenwärtig. Für die großen Batteriesysteme, die für die Energiespeicherung im Versorgungsmaßstab benötigt werden, sind die Kosten für Lithium jedoch unerschwinglich, und die Entflammbarkeit von Li-Ionen-Batterien stellt ein erhebliches Sicherheitsrisiko dar. Mögliche Ersatzstoffe für zuverlässige Langzeit-Energiespeichersysteme sind wiederaufladbare Al-Ionen-Batterien. Ihr häufigster Elektrolyt, flüssiges Aluminiumchlorid, korrodiert jedoch die Aluminiumanode und ist sehr empfindlich gegenüber Feuchtigkeit, was die Korrosion verschlimmert. Beide Faktoren tragen mit der Zeit zu einer schlechten Stabilität und einem Rückgang der elektrischen Leistung bei. Deshalb wollten Wei Wang, Shuqiang Jiao und Kollegen eine verbesserte Al-Ionen-Batterie ohne diese Einschränkungen entwickeln.
Das Team fügte einem Al-Ionen enthaltenden Elektrolyten ein inertes Aluminiumfluoridsalz hinzu und verwandelte ihn so in einen Festkörperelektrolyten. Das Aluminiumfluoridsalz hat eine poröse 3D-Struktur, die es Aluminiumionen ermöglicht, leicht durch den Elektrolyten zu springen und die Leitfähigkeit zu erhöhen. Darüber hinaus verwendeten die Forscher beim Aufbau ihrer Al-Ionen-Batterie Fluorethylencarbonat als Grenzflächenadditiv, um eine dünne, feste Beschichtung auf den Elektroden zu erzeugen und die Bildung von Aluminiumkristallen zu verhindern, die die Batteriegesundheit beeinträchtigen.
In Experimenten wurden die Feuchtigkeitsbeständigkeit sowie die physikalische und thermische Stabilität des Akkus verbessert, sodass er wiederholten Stößen mit scharfen Gegenständen und Temperaturen von bis zu 392 Grad Fahrenheit standhält. Der Festkörper-Al-Ionen-Akku hatte außerdem eine außergewöhnlich lange Lebensdauer: Er hielt 10.000 Lade-Entlade-Zyklen durch und verlor dabei weniger als 1 % seiner ursprünglichen Kapazität. Darüber hinaus konnte der Großteil des Aluminiumfluorids durch einfaches Waschen zurückgewonnen und dann in eine andere Batterie mit leicht verminderter Leistung recycelt werden. Die neue Batterie könnte die Produktionskosten von Al-Ionen-Batterien senken, ihre Lebensdauer verlängern und so ihre Praktikabilität erhöhen.
„Dieses neue Al-Ionen-Batteriedesign zeigt das Potenzial für ein langlebiges, kostengünstiges und hochsicheres Energiespeichersystem. Die Fähigkeit, wichtige Materialien zurückzugewinnen und zu recyceln, macht die Technologie nachhaltiger“, sagt Wang. Die Forscher fügen hinzu, dass vor der Kommerzialisierung weitere Verbesserungen der Energiedichte und des Lebenszyklus erforderlich sind.
Die Autoren danken der National Natural Science Foundation of China, dem Beijing Nova Program und dem Interdisciplinary Research Project for Young Teachers der University of Science and Technology Beijing für die Finanzierung.
