Akku aus Aluminium

Das Leichtmetall Aluminium ist viel günstiger als Lithium, in großen Mengen verfügbar und ermöglicht Batterien, die prinzipiell deutlich mehr Strom speichern können als alle heute verfügbaren Akkus. Bisherige Prototypen sind allerdings nur einmal nutzbar und lassen sich nicht lange lagern. Diese Nachteile hat ein internationales Forscherteam nun mit dem Zusatz organischer Moleküle aus dem Weg geräumt. Wie die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift „Nature Energy“ berichten, hielt ein erster Prototyp mehreren Tausend Ladezyklen stand.

Die Aufnahme und Abgabe von Elektronen bilden die Kernprozesse in jeder Batterie. Jedes Aluminiumatom kann bei diesem sogenannten Redoxprozess drei Elektronen zur Verfügung stellen, Lithium dagegen nur ein Elektron pro Atom. Um diesen Vorteil zu nutzen, entwarfen Dong Jun Kim von der University of New South Wales in Sydney und seine Kollegen ein neues Konzept für wiederaufladbare Aluminiumbatterien. In ihrem Prototyp fertigten die Forscher die Anode aus Aluminium und die Kathode aus Graphitflocken sowie Phenanthrenchinon – einem polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoff. Als Elektrolyt diente eine chlorhaltige Flüssigkeit.

Beim Entladen gab jedes Aluminiumatom drei Elektronen ab. Das entstandene Aluminiumion verknüpfte sich mit je zwei Chloridionen aus dem Elektrolyten und bildete mit Phenanthrenchinon einen metallorganischen Komplex, der sich in der Kathode einlagern konnte. Beim Aufladen der Batterie kehrte sich der Prozess um und die Aluminiumionen wanderten zur Anode zurück. In zahlreichen Versuchen zeigte sich, dass Phenanthrenchinon das zyklische Laden und Entladen besonders gut unterstützte, wenn sich zuvor je drei dieser Moleküle zu einem größeren, dreieckigen Makromolekül verbunden hatten. Nach 500 Zyklen lag der Kapazitätsverlust der Batterie nur bei sechs Prozent. Und selbst nach 5000 Ladezyklen bot sie noch etwa die Hälfte der ursprünglichen Kapazität.

Damit liefert der Prototyp bereits eine gute Zyklenfestigkeit. Mit einer Speicherkapazität von 110 Milliamperestunden pro Gramm kann die neue Batterie derzeit allerdings noch nicht so viel Strom speichern wie Lithiumionen-Akkus. Doch dieser Wert ließe sich künftig um ein Vielfaches steigern, so die Forscher. Auf der Basis ihrer Studie könnten in den kommenden Jahren Aluminiumbatterien entwickelt werden, die sowohl günstiger als auch leistungsfähiger als Lithiumionen-Akkus wären. Als mögliche Anwendung sieht das Team um Kim vor allem Energiepuffer für überschüssigen Strom aus Wind- und Solaranlagen. Solche Zwischenspeicher gelten als Schlüsselelement, um die wetterbedingten Fluktuationen der erneuerbaren Energiequellen effizient ausgleichen zu können.