Aluminium-Ionen-Batterien mit verbesserter Speicherkapazität

Aluminium-Ionen-Batterien gelten als vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Batterien, für die knappe und schwer recycelbare Rohstoffe wie Lithium verwendet werden. Denn Aluminium ist eines der häufigsten Elemente in der Erdkruste, lässt sich leichter recyceln und ist darüber hinaus sicherer und kostengünstiger als Lithium. Jedoch steht die Entwicklung solcher Aluminium-Ionen-Batterien noch am Anfang, da es bislang an geeigneten Elektrodenmaterialien fehlt, die diesen Batterien eine ausreichende Speicherkapazität verleihen. Ein Forschungsteam 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 entwickelt, das aus einem organischen Redox-Polymer auf Basis von Phenothiazin besteht. Im Versuch speicherten die Aluminium-Batterien mit diesem Elektrodenmaterial eine bisher nicht erreichte Ladung von 167 Milliamperestunden pro Gramm (mAh/g). Das organische Redox-Polymer übertrifft damit die Kapazität von Graphit, das bisher in den Batterien als Elektrodenmaterial verwendet wird. Die Ergebnisse sind in der Zeitschrift Energy & Environmental Science erschienen.

Elektrodenmaterial lagert komplexe Aluminium-Anionen ein

Das Elektrodenmaterial wird beim Laden der Batterie oxidiert und lagert dabei komplexe Aluminat-Anionen ein. Das organische Redox-Polymer Poly(3-vinyl-N-Methylphenothiazin) schafft es auf diese Weise, während der Ladung zwei [AlCl₄]^­−-Anionen reversibel einzulagern. Als Elektrolyt verwendeten die Forschenden Ethylmethylimidazoliumchlorid als ionische Flüssigkeit unter Zusatz von Aluminiumchlorid. „Die Erforschung von Aluminium-Batterien ist ein aufregendes Forschungsfeld mit großem Potenzial für zukünftige Energiespeichersysteme“, sagt Gauthier Studer. „Unser Fokus liegt darauf, neue organische redox-aktive Materialien zu entwickeln, die eine hohe Leistungsfähigkeit und reversible Eigenschaften aufweisen. Durch die Untersuchung der Redox-Eigenschaften von Poly(3-vinyl-N-Methylphenothiazin) in der Chloroaluminat-basierten ionischen Flüssigkeit haben wir einen bedeutenden Durchbruch erzielt, indem wir erstmals einen reversiblen Zwei-Elektronen-Redox-Prozess für ein phenothiazinbasiertes Elektrodenmaterial nachgewiesen haben.“

Nach 5.000 Ladezyklen bei 10 C behält Batterie 88 Prozent ihrer Kapazität

Poly(3-vinyl-N-Methylphenothiazin) lagert die [AlCl₄]⁻-Anionen bei Potenzialen von 0,81 und 1,65 Volt ein und liefert spezifische Kapazitäten von bis zu 167 mAh/g. Demgegenüber liegt die Entladungskapazität von Graphit als Elektrodenmaterial in Aluminium-Batterien bei 120 mAh/g. Nach 5.000 Ladezyklen verfügt die vom Forschungsteam vorgestellte Batterie bei 10 C, also bei einer Lade- und Entladerate von 6 Minuten, noch über 88 Prozent ihrer Kapazität. Bei einer niedrigeren C-Rate, also einer längeren Lade- und Entladezeit, kehrt die Batterie unverändert zu ihren ursprünglichen Kapazitäten zurück.

„Mit seiner hohen Entladespannung und spezifischen Kapazität sowie seiner guten Kapazitätserhaltung bei schnellen C-Raten stellt das Elektrodenmaterial einen großen Fortschritt in der Entwicklung von wiederaufladbaren Aluminium-Batterien und somit von fortschrittlichen und erschwinglichen Energiespeicherlösungen dar“, sagt Birgit Esser.

Faktenübersicht:

• Originalpublikation: G. Studer, A. Schmidt, J. Büttner, M. Schmidt, A. Fischer, I. Krossing and B. Esser, Energy Environ. Sci., 2023, DOI: 10.1039/D3EE00235G
• Gauthier Studer promoviert am Institut für Organische Chemie II und Neue Materialien der Universität Ulm.
• Prof. Dr. Birgit Esser leitet die Professur für Organische Chemie am Institut für Organische Chemie II und Neue Materialien der Universität Ulm. Sie ist Mitglied in den Exzellenzclustern Post Lithium Storage (POLiS) der Universität Ulm und Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems (livMatS) der Universität Freiburg.
• Prof. Ingo Krossing leitet die Professur für Molekül- und Koordinationschemie am Institut für Anorganische und Analytische Chemie der Universität Freiburg und ist Mitglied des Exzellenzclusters Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems (livMatS).
• Prof. Dr. Anna Fischer leitet die Professur für funktionelle anorganische Materialien am Institut für Anorganische und Analytische Chemie der Universität Freiburg und ist Sprecherin des Exzellenzclusters livMatS.
• Das Projekt wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) finanziert (Projekt AMPERE innerhalb des SPP 2248 - Polymer-based Batteries, 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).

Grafik zum Download

Der schematische Aufbau der Batterie bildet den ablaufenden Redox-Prozess ab, bei dem das Elektrodenmaterial oxidiert wird und dabei Aluminat-Anionen einlagert. Quelle: Birgit Esser (CC BY-NC 3.0)