Nächste Generation umweltfreundlicher und effizienter Aluminiumionen-Akkumulatoren in der Entwicklung
Energiespeicherung ist eine Grundlage für das nächste Zeitalter von Technologien, die eine nachhaltigere Welt zum Ziel haben. Wiederaufladbare Akkus sind die am meisten eingesetzte Option, wobei diesem Sektor der technischen Entwicklung durch einen Zufluss von Innovationen aus der ganzen Welt Schwung verliehen wird. Nur wenige Forschungsprojekte haben sich bislang auf den Aluminium-Ionen-Akkumulator konzentriert, der eine neue Welle von umweltfreundlicheren, effizienteren Akkumulatoren auslösen könnte. Das ALION-Projekt ist Teil dieser neuen Generation der Energiespeichertechnik. Der Vorschlag betraf die Entwicklung von Elektrolyten auf Basis ionischer Flüssigkeiten – bei Raumtemperatur flüssiger geschmolzener Salze, – welche die Leitung von Aluminiumionen mit außergewöhnlicher thermischer und elektrochemischer Stabilität zulassen. Auf diese Weise können Akkus ohne den Einsatz kritischer Rohstoffe wie zum Beispiel Lithium oder Kobalt hergestellt werden. „Ein solcher Akkumulator wäre dann billiger und nachhaltiger“, betont Etienne Knipping, Koordinator des ALION-Projekts. Im Rahmen von ALION gelang die Entwicklung eines Aluminiumionen-Akkumoduls, das die hohe Leistungsfähigkeit und Zyklenfestigkeit dieser aufstrebenden Technologie beweist. „Diese Akkumulatoren sind neue ernstzunehmende Kandidaten für den Ersatz der Pb-Säure-Akkus in stationären Anwendungen im Bereich der unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV), Telekommunikation, Anlagen für erneuerbare Energien und zur Netzunterstützung“, erläutert Knipping. Dabei kann es um im Privatbesitz befindliche Solarmodule, die zum Beispiel auf einem Haus oder anderen Gebäude installiert sind, oder Windkraftanlagen gehen. ALION hat die gesamte Produktionskette abgedeckt: von der Beschaffung der Werkstoffe über die Komponentenhersteller, die Akkumontage bis hin zur Validierung der Technologie in speziellen Mikrogittersystemen, die eine erneuerbare Energiequelle wie Sonnenlicht oder Wind beinhalten. „Endziel dieses Projekts ist ein Aluminiumionen-Akkumodul, das in einer passenden Umgebung validiert wurde, mit einer spezifischen Leistung von 500 W/kg, einer Spannung von 48 V und einer Lebensdauer von 3 000 Zyklen“, teilt Knipping mit.
Energiegewinnung durch Diffusion
Um die neuartigen Akkusysteme zu entwickeln, verfolgte ALION einen Ansatz auf Basis eines „Schaukelstuhl“-Mechanismus, bei dem die von einer Elektrode zur anderen diffundierenden Ionen eingefügt und entfernt werden, um den Akkumulator zu nutzen bzw. aufzuladen. Die resultierende Technologie ist im Vergleich zu den üblichen Energiespeichersystemen wie Pumpspeicherwerke und Lithiumionen-Akkumulatoren kostengünstiger, verfügt über eine höhere Leistung, ist sicherer und zuverlässiger. „Der Aluminiumionen-Akku weist gegenüber marktüblichen kommerziellen Produkten verschiedene Vorteile auf: Er enthält keinerlei kritische Rohstoffe und ist äußerst sicher, da die meisten Prozesse auf Wasserbasis stattfinden und keine brennbaren Werkstoffe zum Einsatz kommen“, erläutert Knipping. Es kam zu einigen unerwarteten Schwierigkeiten: Aufgrund der Korrosivität des Elektrolyten erwiesen sich traditionelle Herstellungsverfahren als nicht realisierbar. Deshalb konzentrierte sich das Projekt stattdessen auf die Entwicklung eines weniger korrosiven, leistungsstarken Akkumulators mit dem Elektrolyten auf Basis ionischer Flüssigkeiten.
Brauchbare Akkusätze
Bei Versuchen im Labor zeigten die Zellen eine hohe Leistungsfähigkeit von bis zu 36 kW/kg sowie eine hohe Zyklenfestigkeit (Langlebigkeit) von ungefähr 500 000 Zyklen pro Akkumulator. Eine weitere wichtige Errungenschaft des Projekts war die erfolgreiche Montage von 3D-gedruckten Akkusätzen. „Diese Akkusätze waren die größten, die jemals mit Aluminiumionen-Zellen entwickelt wurden. Für diese vielversprechende Technologie war das ein großer Schritt nach vorn“, bekräftigt Knipping. Das Projekt endete im Mai 2019. Einige Partner aus dem ALION-Konsortium arbeiten weiter an der Technik und suchen nach neuen Finanzierungsmöglichkeiten, um sie weiter voranzubringen. Dazu wären weitere Tests in entsprechenden Umgebungen erforderlich. Außerdem muss nach einem Weg zur Erhöhung der Gesamtkapazität gesucht werden.
Schlüsselbegriffe
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