Energiespeicher Innovation: Batterien aus Aluminium statt Lithium

Ein Mann im Labor greift mit Handschuhen in eine Glasbox — Forscher Amir Mohammad im Labor © TUBAF / A. Hiekel

Energiespeicher der Zukunft sollten fortschrittlich, kostengünstig und nachhaltig sein, die dafür verwendeten Materialien gut verfügbar als auch recycelbar. Ein Forscherteam entwickelt eine Aluminium-Batterie, die solchen Anforderungen entspricht.

12.09.2024 – Batterien sind ein entscheidender Baustein der Energiewende und werden zur Speicherung von regenerativ erzeugtem Strom im großen Umfang benötigt. Entsprechend wächst die Nachfrage weltweit. Der Kampf um Rohstoffe läuft, oft zu Lasten der Umwelt. Lithium-Ionen-Batterien können aufgrund des Einsatzes kritischer Rohstoffe den steigenden Bedarf bedingt decken, warnen Branchenexperten. Die Forschung im Bereich alternativer Batterietechnologien geht voran und müsste an Tempo zulegen.

An der TU Bergakademie Freiberg wird kreativ für die Energiewende geforscht. Ein Forschungsteam hat nun bedeutende Fortschritte bei der Entwicklung einer Aluminium-Batterie erzielt. Die Batterie besteht aus Aluminium als Anode, Grafit als Kathode und einem an der Universität entwickelten, neuartigen Elektrolyten auf Polymerbasis.

Natrium-Ionen-Batterien als umweltfreundliche Alternative

Batterien sind ein Schlüsselelement zur Speicherung von regenerativ erzeugtem Strom und Elektromobilität. In einem Forschungsprojekt des ZSW werden umweltfreundliche Energiespeicher für den Stadtverkehr und stationäre Anwendungen entwickelt.

Mit langen schwarzen Gummihandschuhen greift Forscher Amir Mohammad in eine Glovebox, um ein Döschen mit einem honigfarbenen Polymer zu öffnen. Mit einem Spatel trägt er es behutsam auf eine dünne Aluminiumfolie auf. Schließlich beschichtet er die Aluminiumfolie mit dem Polymer in einem sogenannten Kalander mit heizbaren Walzen. „Das sind bereits zwei Drittel der Batterie,“ erklärt der Forscher. Die Aluminiumfolie dient als Anode, während die Polymerschicht den Elektrolyten bildet. Kombiniert man diese mit einer Grafit-Kathode, entstehe eine einzelne Zelle für den Prototypen der Aluminium-Polymer-Batterie. Der erste Prototyp, bestehend aus einem sogenannten „Stack“ mit 10 Zellen, werde etwa 1 Wattstunde (Wh) Energie speichern können, erläutern die Wissenschaftler der TU Bergakademie Freiberg.

Nun hebt die Förderung der Sächsischen Aufbaubank im Rahmen des Programms zur Validierungsförderung des sächsischen Wirtschaftsministeriums die Batterieentwicklung auf die nächste Stufe: „Ziel der Weiterentwicklung ist eine Speicherkapazität von 10 Kilowattstunden (kWh), was der durchschnittlichen Tagesproduktion einer Photovoltaik-Anlage auf dem Dach eines Einfamilienhauses entspricht“, erklärt der wissenschaftliche Mitarbeiter des Instituts für Experimentelle Physik. Damit werde die neuartige Aluminium-Polymer-Batterie eine Option für den Einsatz als stationärer Stromspeicher, speziell bei privaten Photovoltaik-Anlagen.

Solar- und Speicherboom mit Herausforderungen

Der Solar- und Speichermarkt boomt. Dies zeigte die Fachmesse The Smarter E Europe in München. Doch die Branche sieht sich aufgrund der massiven Überkapazitäten bei PV-Modulen einem starken Konsolidierungsdruck ausgesetzt.

Neu entwickelter Polymer-Festelektrolyt sorgt für effiziente Herstellung

Besonderes Augenmerk legt das Team auf die Elektrolytlösung zwischen Anode und Kathode, berichtet die TU Bergakademie Freiberg: „Für diesen Zweck haben wir einen Polymerelektrolyten auf Basis einer ionischen Flüssigkeit entwickelt. Dabei handelt es sich um eine Mischung aus Triethylaminhydrochlorid und Aluminiumchlorid, die zusammen mit Polyamid ein festes Netzwerk bilden“, erläutert Projektmitarbeiter Oliver Schmidt. „Im Vergleich zu traditionellen flüssigen Elektrolyten bietet dieser Festelektrolyt zahlreiche Vorteile: Er kann nicht auslaufen, ist resistent gegen Feuchtigkeit und Sauerstoff und reduziert Korrosion. Zudem ersetzt er die übliche Separator-Schicht, was die Batterie sicherer und kostengünstiger in der Herstellung macht.“

Als nächsten Schritt testet das Team die Verarbeitung der Materialien sowie die Herstellung der Aluminium-Polymer-Batterie in einer sogenannten Rolle-zu-Rolle-Fertigungsanlage. Ende 2025 erwarten die beiden Forscher belastbare Ergebnisse zur Verwertung ihres innovativen Batterie-Prototypen.

Kommunale Nutzung von Second-Life-Energiespeichern

Zwei Kommunen erproben Second-Life-Stromspeicher aus gebrauchten Elektrofahrzeugbatterien. Forscherteams haben dazu im Projekt Fluxlicon eine Technologie entwickelt, die es ermöglicht, Batterien verschiedener Hersteller und Größen zu integrieren.

Zukunft Energiespeicher: Was kommt nach Lithium?

„Für die Elektrifizierung und damit Flexibilisierung energieintensiver Technologien brauchen wir neue Energiespeicher“, erklärt Prof. Dirk C. Meyer, Direktor des Instituts für Experimentelle Physik sowie Sprecher des Zentrums für effiziente Hochtemperatur-Stoffwandlung (ZeHS https//tu-freiberg. de/zehs) an der TU Bergakademie Freiberg. „Die Aluminium-Polymer-Batterie ist eine vielversprechende Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien, an der mein Team schon seit rund zehn Jahren intensiv forscht und die nun im Hinblick auf eine industrielle Produktion und Anwendung geprüft wird.“

Die Validierung des Batterie-Prototyps für die industrielle Produktion wird bis Ende des kommenden Jahres durch das sächsische Wirtschaftsministerium und den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert. Mehr zum Projekt