Neuigkeiten zu Aluminium-Ionen- und Lithium-Schwefel-Batterien

Hier ist ein Update zu einigen Batterieneuigkeiten dieser Woche. Zunächst berichteten Forscher der Universität Ulm und der Universität Freiburg, dass sie neue Anoden für Aluminium-Ionen-Batterien entwickelt haben, die deren Leistung deutlich verbessern, während Lyten die Eröffnung seiner Pilotbatteriefabrik für Lithium-Schwefel-Batterien in den USA ankündigte. Beides könnte Auswirkungen auf die Zukunft des batteriebetriebenen Transports und der Energiespeicherung haben.

Anoden für Aluminium-Ionen-Batterien

Die deutschen Forscher veröffentlichten einen Artikel mit dem Titel „Auf einer Hochleistungs-Aluminiumbatterie mit einem Zwei-Elektronen-Phenothiazin-Redoxpolymer als positiver Elektrode“ im Tagebuch Energie- und Umweltwissenschaften diesen Monat. Darin heißt es, sie hätten eine Anode entwickelt, die aus einem organischen Redoxpolymer auf Basis von Phenothiazin besteht. Warum ist das wichtig? Hier finden Sie eine Einführung zu ihren Ergebnissen.

Aufgrund der Knappheit von Lithium und Übergangsmetalloxiden, die in herkömmlichen Batterien verwendet werden, gibt es einen starken Impuls zur Entwicklung alternativer Batterietechnologien für Anwendungen, die von kleinen Geräten bis hin zur stationären Speicherung von Elektrizität im großen Maßstab reichen. Da Aluminium eines der am häufigsten vorkommenden Elemente in der Erdkruste ist, gelten Al-basierte Batterien als vielversprechende Kandidaten für solche Energiespeicher der nächsten Generation.

Allerdings bleibt es bis heute eine Herausforderung, geeignete Wirtselektrodenmaterialien zu identifizieren, die (komplexe) Aluminiumionen reversibel einfügen. In diesem Artikel demonstrieren wir eine Strategie zum Design solcher positiven Elektrodenmaterialien. Bei dieser Strategie wird ein organisches Redoxpolymer als positives Elektrodenmaterial verwendet, das zwei reversibel einfügt [AlCl4]− Ionen mit einer spezifischen Kapazität, die die von Graphit als positivem Elektrodenmaterial übertrifft. Darüber hinaus weist es eine hervorragende Zyklierbarkeit bei hohen C-Raten auf. Dieses Konzept könnte den Weg für die Entwicklung fortschrittlicher Al-basierter Batterien und erschwinglicher Energiespeicher ebnen.

Der Klimawandel und der steigende Bedarf an elektrischer Energie erfordern die Entwicklung neuartiger Geräte zur Speicherung erneuerbarer Energie. Während klassische Lithium-Ionen-Batterien von technisch entwickelten Elektrodenmaterialien profitieren könnten, sollten Batterien der nächsten Generation auf reichlich vorhandenen Elementen basieren, sicher und kostengünstig sein, ungiftige Materialien verwenden und leicht zu recyceln sein.

Aluminium ist das am häufigsten vorkommende Metall in der Erdkruste und lässt sich leicht recyceln. Seine hohe volumetrische Kapazität von 8040 mA h cm−3 als negatives Elektrodenmaterial übertrifft sogar die von Lithium von 2046 mA h cm−3. Im Gegensatz zu letzterem kann es reversibel abgelöst und abgeschieden werden, ohne Dendriten zu bilden, wodurch Kurzschlüsse vermieden werden. Vorteilhafterweise sind die derzeit in Al-Batterien verwendeten ionischen Flüssigelektrolyte nicht brennbar. Daher sind wiederaufladbare Al-Ionen-Batterien (AIBs) als Speichergeräte vielversprechend. Die Entwicklung wiederaufladbarer AIBs steht jedoch vor grundlegenden Herausforderungen und es mangelt insbesondere an geeigneten positiven Elektrodenmaterialien, so dass sie noch in den Kinderschuhen steckt.

„Die Erforschung von Aluminium-Ionen-Batterien ist ein spannendes Forschungsgebiet mit großem Potenzial für zukünftige Energiespeichersysteme“, sagte Gauthier Studer, der die Forschung leitete Innovations-News-Netzwerk. „Unser Fokus liegt auf der Entwicklung neuer organischer redoxaktiver Materialien, die hohe Leistung und reversible Eigenschaften aufweisen. Durch die Untersuchung der Redoxeigenschaften von Poly(3-vinyl-N-methylphenothiazin) in ionischen Flüssigkeiten auf Chloraluminatbasis gelang uns ein bedeutender Durchbruch, indem wir erstmals einen reversiblen Zwei-Elektronen-Redoxprozess für ein Elektrodenmaterial auf Phenothiazinbasis demonstrierten. ”

Das Redox-Polymer der Aluminium-Ionen-Batterien lagert die Anionen bei Potentialen von 0,81 und 1,65 Volt ab und sorgt für spezifische Kapazitäten von bis zu 167 mAh/g. Im Gegensatz dazu beträgt die Entladekapazität von Graphit als Elektrodenmaterial in Batterien 120 mAh/g. Die Forscher stellten fest, dass Aluminium-Ionen-Batterien, die die von ihnen entwickelten Elektroden verwenden, bei 10 °C über 5000 Zyklen 88 % ihrer Kapazität behalten. Bei niedrigeren C-Raten war der beobachtete Leistungsabfall vernachlässigbar.

Birgit Esser, eine der leitenden Forscherinnen, sagte: „Mit seiner hohen Entladespannung und spezifischen Kapazität sowie seiner hervorragenden Kapazitätserhaltung bei schnellen C-Raten stellt das Elektrodenmaterial einen großen Fortschritt in der Entwicklung wiederaufladbarer Aluminium-Ionen-Batterien dar.“ Unser Konzept bietet der Batterieindustrie fortschrittliche und erschwingliche Energiespeicherlösungen.“

Lyten weiht seine Lithium-Schwefel-Prototypenfabrik ein

Lyten Lithium-Schwefel-Batterien. Bildnachweis: Lyten

So aufregend die Neuigkeiten zu Aluminium-Ionen-Batterien auch sind, die Technologie existiert derzeit nur im Labor. Lyten ist ein kalifornisches Unternehmen, das sich seit vielen Jahren mit der erheblichen Unterstützung des US-Militärs an der Entwicklung von Lithium-Schwefel-Batterien beteiligt. Diese Woche feierte das Unternehmen die Inbetriebnahme seiner ersten Pilotproduktionsanlage, die jährlich 200.000 Batteriezellen produzieren kann. Das ist ein Tropfen auf den heißen Stein im Vergleich zur Anzahl der Lithium-Ionen-Batterien, die jedes Jahr kommerziell hergestellt werden, aber diese Prototypzellen werden potenziellen Kunden im Militär, der Automobilindustrie und anderen zur Verfügung gestellt, damit diese sie auf mögliche Tests und Benchmarks testen können zukünftiger Gebrauch.

Wie wir im September 2021 berichteten, haben die Lyten-Lithium-Schwefel-Batterien eine Energiedichte von bis zu 900 Wh/kg – etwa dreimal so viel wie herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien, dank eines speziellen dreidimensionalen Graphens, dessen Verfeinerung Jahre dauerte . Dieses einzigartige Material kann auf molekularer Ebene entwickelt und auf spezifische Batterieanwendungsanforderungen abgestimmt werden, so das Unternehmen. Es ermöglicht die Erschließung des Leistungspotenzials von Schwefel durch die Unterbindung des „Polysulfid-Shuttles“, einem kompromittierenden Faktor, der die Batterielebensdauer verkürzt und bisher den Einsatz von Lithium-Schwefel-Batterien in Elektrofahrzeugen verhindert hat. Während Tests des Verteidigungsministeriums hat ein LytCell™-Prototyp mehr als 1.400 Lade-/Entladezyklen überstanden.

Bei der Eröffnung der neuen Fabrik sagte Celina Mikolajczak, sagte der Chief Battery Technical Officer von Lyten„Lithium-Schwefel ist die Batteriechemie, die das Potenzial hat, alles zu elektrifizieren. Eine prognostizierte, um 50 Prozent niedrigere Materialkostenliste im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Chemikalien wird deutlich kostengünstigere Autobatteriepakete ermöglichen und eine rein elektrische Automobilflotte wirtschaftlich realisierbar machen. Die hohe Energiedichte der Chemie wird sie für den Einsatz in schweren Fahrzeugen wie Lieferwagen, Lastkraftwagen, Bussen und Baumaschinen sowie in der Luftfahrt und in Satelliten attraktiv machen. Die Rohstoffe für diese Chemie sind in ganz Nordamerika reichlich vorhanden, was eine inländische Lieferkette und inländische Produktion begünstigt und eine starke amerikanische Elektrifizierungsindustrie unterstützt.“

Keith Norman, Chief Sustainability Officer des Unternehmens, sagte in dieser Pressemitteilung außerdem: „Lyten stellt eine Batterie mit einem geringeren CO2-Fußabdruck her und verwendet dazu leicht verfügbare Materialien aus Nordamerika.“ Die Lithium-Schwefel-Batterie von Lyten verwendet kein Nickel, Kobalt oder Mangan (NMC), wodurch wichtige ökologische und ethische Hindernisse für die Steigerung der Batterieproduktion zur Deckung der weltweiten Nachfrage beseitigt werden. Unser Ziel ist es, die Batterie für Elektrofahrzeuge mit dem geringsten CO2-Fußabdruck auf dem Markt zu produzieren, mehr als 60 Prozent weniger CO2 als die besten Lithium-Ionen-Batterien ihrer Klasse und mehr als 40 Prozent weniger CO2 als neue Festkörperbatterien. Damit Automobilhersteller ihre Netto-Null-Verpflichtungen erreichen können, benötigen sie unserer Meinung nach eine Batterie mit einem wesentlich geringeren CO2-Fußabdruck und einem geringeren Gewicht – beides Eigenschaften, die wir mit unserer Lithium-Schwefel-Batterie erfüllen.“

Das wegnehmen

Ja, wir wissen. All dieses fröhliche Gerede ist schön und gut, aber wo sind die kostengünstigen, langlebigen Batterien aus nachhaltigen Materialien, die wir heute brauchen? Geduld, Heuschrecke. Sie kommen. Wie wir schon oft gesagt haben, gibt es die Batterien, die im Jahr 2030 unsere Fahrzeuge antreiben und unseren Strom speichern werden, noch nicht, sondern werden in Labors auf der ganzen Welt entwickelt. Fortschritt braucht Zeit. Möchten Sie wirklich in ein batteriebetriebenes Flugzeug steigen, das experimentelle Batterien verwendet, oder ein Auto mit Batterien hoher Energiedichte fahren, die nach 6 Monaten ausgetauscht werden müssen?

Natürlich nicht. Sei nicht albern. Es kommen bessere Batterien, und unsere Enkelkinder werden an NMC-Lithium-Ionen-Batterien denken, wie wir an Vakuumröhren denken. Um CleanTechnica Hauptquartier, die Zukunft ist so rosig, wir müssen Sonnenbrillen tragen!