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Aluminium und Magnesium statt Lithium: Forschung für sichere Hochleistungsbatterien

Chemiker der TU Berlin um Prof. Dr. Peter Strasser haben neue Elektrodenmaterialien für sichere Hochleistungsbatterien auf Basis von Aluminium und Magnesium entwickelt.

Aluminium-/Magnesium-Ionen-Batterie Bildquelle: © TU Berlin/PR/Christian Kielmann

Prof. Dr. Peter Strasser (r.) mit seinem Doktoranden Toshinari Koketsu beim Zusammenbau von Batterien

Lithium-Ionen-Batterien eignen sich für Anwendungen, in denen hohe Spannungen gefragt sind, müssen aber wegen ihres reaktiven Materials luftdicht abgedichtet sein, damit es nicht zu Unfällen kommt. »Die Sicherheitsrisiken von Lithium-Ionen-Batterien bei großen Batteriespeichern, wie wir sie für eine Energiewende hin zu regenerativen Energien benötigen, machen ihre langfristige Verwendung zu einer enormen Herausforderung«, so Prof. Dr. Peter Strasser.

Alternativ beschäftigt sich die Forschung mit Batterien, die auf den Metallen Magnesium oder Aluminium basieren. »Diese Metalle sind preiswerter und können sicherer an der Luft gelagert werden – diese größere Sicherheit bezahlt man allerdings mit einer geringeren Spannung. Dafür stellen diese Ionen nicht wie Lithium nur eine, sondern zwei beziehungsweise drei positive Ladungen zur Verfügung und erlauben daher eine viel dichtere Speicherung von elektrischer Ladung - was gerade für große kompakte Batteriespeicher sehr wichtig ist,« so Peter Strasser.

Bislang ließen sich die zwei- und dreiwertig geladenen Ionen erheblich schlechter so in ein Wirtsmaterial (Elektrodenmaterial) einlagern, dass sie danach reversibel zwischen den Elektroden ausgetauscht werden können.

»Meinem Mitarbeiter Dr. Toshinari Koketsu ist es jetzt gelungen, diese Ionen reversibel in eine chemisch modifizierte Form des weißen Farbpigments Titanoxid einzulagern. Das Titanoxid wurde dabei zunächst von unseren Kooperationspartnern an der Pariser Universität Sorbonne mit Fluorid-Ionen dotiert«, so Professor Strasser.  »Das bedeutet, dass Fluorid-Ionen in der Gitterstruktur des Titanoxids einen Teil der Sauerstoff-Ionen ersetzen, dabei einige der positiv geladenen Titan-Ionen ausstoßen und so eine Art ‚Loch’ oder Fehlstelle in dem Gitter produzieren. Es zeigt sich, dass diese Fehlstellen, ideale Einlagerungsstellen für positiv geladene Magnesium- oder Aluminium-Ionen sind.«

In mehreren Versuchsreihen konnten die Wissenschaftler jetzt beweisen, dass die reversible Einlagerung der Aluminium- und Magnesium-Ionen über mehrere hundert Zyklen stabil funktioniert und dabei hohe Ladungskapazitäten zeigt. »Damit konnten wir zeigen, dass Fluorid-dotierte Oxidmaterialien mit speziellen Fehlstellen tatsächlich eine grundlegend neue Batteriechemie mit Magnesium- und Aluminium-Ionen ermöglichen, die von fundamentaler wie praktischer Bedeutung sein wird«, so Peter Strasser. 

Es handelt sich aber um eine Technik von übermorden: »Wir werden auch zukünftig noch verschiedene Batterietypen nutzen. Im Moment ist die Lithium-Ionen-Batterie die preiswerteste und beste Methode für viele Anwendungen. Parallel dazu arbeitet die Wissenschaft an sogenannten Lithium-Schwefel-Batterien, die auch von der Automobilindustrie mit Interesse verfolgt werden. Die Aluminium-/Magnesium-Ionen-Batterie ist eher eine Technik von übermorgen, für Anwendungen die zum Beispiel sehr auf Sicherheit fokussiert sind.«