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May 30, 2023

Aluminium

Aluminium-Ionen-Batterien gelten als vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Batterien, die knappe und schwer zu recycelnde Rohstoffe wie Lithium verwenden. Dies liegt daran, dass Aluminium eines davon ist

Aluminium-Ionen-Batterien gelten als vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Batterien, die knappe und schwer zu recycelnde Rohstoffe wie Lithium verwenden. Denn Aluminium ist eines der häufigsten Elemente in der Erdkruste, lässt sich leichter recyceln und ist außerdem sicherer und kostengünstiger als Lithium. Allerdings steckt die Entwicklung solcher Aluminium-Ionen-Batterien noch in den Kinderschuhen, da geeignete Elektrodenmaterialien, die eine ausreichende Speicherkapazität bieten, noch fehlen. Ein Forscherteam um Gauthier Studer unter Leitung von Prof. Dr. Birgit Esser von der Universität Ulm und Prof. Dr. Ingo Krossing sowie Prof. Dr. Anna Fischer von der Universität Freiburg hat nun ein positives Elektrodenmaterial bestehend aus: eines organischen Redoxpolymers auf Basis von Phenothiazin. 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.

Das schematische Diagramm der Batterie zeigt den Redoxprozess, bei dem das Elektrodenmaterial oxidiert und Aluminatanionen abgeschieden werden.

Birgit Esser (CC BY-NC 3.0: https://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/de/)

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. „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 .

G. Studer, A. Schmidt, J. Büttner, M. Schmidt, A. Fischer, I. Krossing und B. Esser, Energy Environ. Wissenschaft, 2023

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G. Studer, A. Schmidt, J. Büttner, M. Schmidt, A. Fischer, I. Krossing und B. Esser, Energy Environ. Wissenschaft, 2023

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