ALISS: Aluminium-Ionen-Batterie für Stationäre Speichersysteme

Motivation

Das hier dargestellte Vorhaben hat das Ziel, die Aluminium-Ionen-Batterie (AIB) auf das Niveau eines universalen „Weltspeichers“ anzuheben. Da der Bedarf an lokalen bzw. dezentralen stationären Speichersystemen für erneuerbare Energiequellen weltweit steigt und nicht alleine durch die etablierten Technologien wie Blei-Akkumulatoren, Nickel-Metallhydrid- und Lithium-Ionen-Batterien abgedeckt werden kann, werden dringend innovative Konzepte  benötigt. Begrenzender Faktor für bestehende Technologien ist neben dem Preis vor allen Dingen die Ressourcenknappheit. Alleine für einen Tesla S mit einer Batteriekapazität von 85 kWh werden etwa jeweils 10 kg Lithium und Kobalt benötigt. Während sich die bis dato bekannten abbaubaren Vorkommen für Lithiumund Kobalt auf ca. 54 bzw. 7 Mio. Tonnen belaufen, werden die von Aluminium auf ca. 30 Mrd. Tonnen geschätzt. Die AIB-Technology ist noch sehr jung und basiert im Gegensatz zur Li-Ionen-Batterie (LIB) auf reichlich vorhandenen, relativ preiswerten, nicht-toxischen und nicht-entzündbaren Elektroden- und Elektrolytmaterialien.

Funktionsprinzip der AIB

Abbildung 1: (Links) Zyklovoltammogramme der AIB Halb-Zellen in 1:1,5 EMiMCl:AlCl₃^- Elektrolyten bei 10 mV/s mit Elektrodenreaktionen beim Entladeschritt. (Rechts) Lade/Entlade-Kurven einer AIB-Zelle bei unterschiedlichen Stromdichten aus AliBatt-Projekt.

Die AIB ähnelt in ihrem Funktions­prinzip einer Lithium-Metall-Batterie (Siehe Abb. 1). Das am weitesten verbreitete Zelldesign beruht auf einer Al-Folie als Substrat für die Aluminiumabscheidung und -auflösung, die gleichzeitig als Stromkollektor dient, einer wasserfreien, chlorhaltigen ionischen Flüssigkeit (IL) als Elektrolyt und einer positiven Graphit-Elektrode für die Al-Interkalation/-Deinterkalation. Hierbei werden im Gegensatz zu kleinen, positiv geladenen Li-Ionen, große negativ geladene AlCl4- -Ionen werden eingebunden, um die Ladung der Kohlenstoffmatrix auszugleichen. Im jetzigen Konzept sind robuste zylindrische Zellen vom Typ 26650 vorgesehen, die einen sehr flexiblen modularen Aufbau  von bis zu 10 kWh ermöglichen und vor allem keine Umweltgefahr für eine Kellerlagerung darstellen. Aufgrund des niedrigen Dampfdruckes des IL-Elektrolyten ist außerdem eine Selbstentzündung bzw. Explosion durch thermisches „runaway“ ausgeschlossen.  

Strategie & Herausforderungen 

In Hinblick auf eine Lebensdauer des AIB-Speichersystems von 10 Jahren sind weitere Entwicklungsarbeiten zur Stabilisierung der Graphitstruktur, Vermei­dung der Al-Dendritenbildung sowie zur Steigerung der Korrosionsbeständigkeit der unterschiedlichen Zellkomponenten erforderlich.

Projektziele &  DFI-Arbeitspakete

Ziel des Projekts ALISS ist es, einen elektrisch wiederaufladbaren und bis zu 10 kWh skalierbaren AIB-Speicher, insbesondere für Länder aus Europa, Afrika (Sub-Sahara) sowie dem indischen Subkontinent zu entwickeln. Während der einjährigen ALISS-Konzeptphase wird das DFI die Kristallstruktur der bei der AG-Smarsly hergestellten graphitischen Kohlenstoffe in Abhängigkeit vom Ladezustand mittels in-operando XRD untersuchen und sie mit der von kommerziellen natürlichen Graphiten vergleichen. Weiterhin werden in Zusammenarbeit mit der Fa. Iolitec GmbH unterschiedliche Elektrolyte systematisch auf ihre elektrochemischen und korrosiven Eigenschaften hin getestet bzw. für die AIB optimiert. Die besten Materialien werden anschließend in Laborzellen (El-Cell) bzw. zylindrischen 26650-Zellen eingebaut und auf ihr Lade-/Entladeverhalten hin geprüft. Weiterhin wird gemeinsam mit den Projektpartnern ein technisches und wirtschaftliches Lösungskonzept für den 10 kWh-Weltspeicher der Projektphase erarbeitet.

Teil des Förderprogramms: Pilotinnovationswettbewerb für Sprunginnovationen zum Thema „Weltspeicher“