Projekt ALBATROS: Aluminium-Ionen-Batterien als alternative Speichertechnologie für stationäre Anwendungen

Im Projekt ALBATROS entwickelt ein Konsortium aus Forschung und Industrie
die Aluminium-Ionen-Batterie (AIB) weiter. Dabei stehen die Abläufe in der
Batteriezelle und an den Grenzflächen zwischen Elektroden und Elektrolyt
besonders im Fokus. Aluminium-Ionen-Batterien besitzen ein hohes Potenzial
im Hinblick auf Sicherheit, Zyklenfestigkeit und Laderate. Die Aluminium-
Ionen-Technologie bietet auch Vorteile hinsichtlich Fertigungskosten,
Rohstoffverfügbarkeit und Recycling. Konsortialpartner im Batterieprojekt
ALBATROS sind Fraunhofer IISB, IoLiTec GmbH, DECHEMA-Forschungsinstitut
und das Institut für Anorganische Chemie der Technischen Universität
Bergakademie Freiberg.

Das Konsortium im Projekt ALBATROS fokussiert sich auf eine substanzielle
Weiterentwicklung der Aluminium-Ionen-Batterie. Das Akronym steht für
„Alternative Materialsysteme für stationäre Batteriespeicher auf Basis von
Aluminium als Anodenmaterial zur Substitution kritischer Rohstoffe“. Ziel
des Projektes ist es, ein umfassendes Grundlagenverständnis für die
Abläufe in der Batteriezelle und insbesondere an den Grenzflächen zwischen
Elektroden und Elektrolyt zu schaffen. Die neuartige aluminium-basierte
Zellchemie besitzt ein vielversprechendes Potenzial hinsichtlich
Sicherheit, Zyklenfestigkeit und Laderate. Besonders relevant ist dabei
der Verzicht auf kritische Rohstoffe, wie beispielsweise Lithium, Nickel
oder Cobalt. Innerhalb des Projekts ALBATROS arbeiten das Fraunhofer IISB
(Erlangen / Freiberg), die IoLiTec GmbH (Heilbronn), das DECHEMA-
Forschungsinstitut (DFI, Frankfurt am Main) und das Institut für
Anorganische Chemie der Technische Universität Bergakademie Freiberg
zusammen. Das Projekt ALBATROS wird vom Bundesministerium für Bildung und
Forschung (BMBF) gefördert.

Für stationäre elektrische Speicher wird eine deutliche Bedarfssteigerung
prognostiziert. Schon heute lässt sich absehen, dass dieses starke
Wachstum nicht mit den herkömmlichen Batterietechnologien zu decken ist.
Gerade hinsichtlich der bislang eingesetzten kritischen Rohstoffe und der
Kosten für Batteriespeicher sind zeitnah Alternativen zu den etablierten
Zellchemien gefragt. Eine vielversprechende Option ist die Aluminium-
Ionen-Batterie (AIB). Erste Funktionsmuster wurden bereits am
Technologiezentrum Hochleistungsmaterialen (THM) des Fraunhofer IISB in
Freiberg vorgestellt (siehe Infolinks).

Verglichen mit Blei-Säure- oder Li-Ionen-Batterien bietet die Aluminium-
Ionen-Technologie deutliche Vorteile insbesondere in Bezug auf
Fertigungskosten und Rohstoffverfügbarkeit. Aber auch im Hinblick auf das
Gefährdungspotential und die Wiederverwertbarkeit können Aluminium-Ionen-
Batterien durch den Einsatz nicht-brennbarer Elektrolyte eine durchaus
überzeugende Alternative sein.
Für die AIB lassen sich preisgünstiges Aluminium sowie Graphit als
Elektroden-materialien verwenden. Die Elektrolyte basieren auf sogenannten
ionischen Flüssigkeiten und ermöglichen im Zusammenspiel mit den übrigen
Materialien überhaupt erst den reversiblen Ladevorgang der Aluminium-
Ionen-Batterie. Mit der sehr hohen Zyklenstabilität von über 20.000 Zyklen
und Laderaten von mehr als 150 C bergen weiterentwickelte Aluminium-
Graphit-Systeme ein enormes Potential für zukünftige Anwendungen. Die
Nichtentflammbarkeit der Komponenten und des Elektrolyten macht die AIB
dabei zu einer sicheren Speichervariante, zum Beispiel für Strom aus
fluktuierenden regenerativen Energiequellen.

Bis zur Markteinführung der AIB bedarf es allerdings noch weiterer
wissenschaftlicher Vorarbeiten. Eine besondere Herausforderung ist dabei
das stark korrosive Verhalten der bisher in der AIB eingesetzten
Elektrolyten. Bevor anwendungsrelevante Prototyp-Zellen für Tests zur
Verfügung stehen, müssen umfangreiche Materialqualifizierungen, Prüfungen
und Zertifizierungen durchgeführt werden. Für die theoretische Fundierung
der neuartigen Zellchemie konzentrieren sich die Wissenschaftlerinnen und
Wissenschaftler auf die grundlegenden chemischen Mechanismen und
materialspezifische Einflussgrößen. Unter anderem werden dafür die
kinetischen Parameter der Aluminium-Auflösung und -Abscheidung auf der
Aluminium-Anode für unterschiedliche Elektrolytzusammensetzungen
untersucht. Ebenso steht der Ein- und Austrag von Ladungsträgern in bzw.
aus der Graphit-Matrix im Fokus. Das schließt auch gezielte Analysen der
Spezies der Ladungsträger ein. Ein weiterer Schwerpunkt ist die
Untersuchung von Selbstentladungsprozessen. Dieser Effekt ist für spätere
Anwendungen von besonderem Interesse.

Die gewonnenen Erkenntnisse sind die unverzichtbare Basis für die
Auslegung, Weiterentwicklung und Optimierung anwendungsnaher und
nachhaltiger AIB-Speichersysteme. Hierbei wird als realistischer erster
Schritt eine Anwendung in stationären elektrischen Speichersystemen
angestrebt. So kann die Aluminium-Ionen-Batterie ein essentieller Baustein
für den Ausbau der dringend benötigten Speicherkapazitäten sein und zum
Erfolg der Energiewende beitragen. Das Projekt ALBATROS leistet elementare
Beiträge für die Realisierung effizienter, langlebiger, kostengünstiger,
umweltverträglicher und gut recycelbarer Batteriekomponenten.

Projekt ALBATROS wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung
(BMBF) gefördert.

Fraunhofer THM

Das Fraunhofer Technologiezentrum für Hochleistungsmaterialien THM ist
eine Forschungs- und Transferplattform des Fraunhofer-Instituts für
Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB und des Fraunhofer-
Instituts für Keramische Technologien und Systeme IKTS. Im Rahmen von
Industrieaufträgen und öffentlich geförderten Projekten werden gemeinsam
Halbleiter- und Energiematerialien in neue Anwendungen überführt, unter
besonderer Berücksichtigung des zukünftigen stofflichen Recyclings. Ein
Schwerpunkt der Arbeiten am Fraunhofer THM sind die Analyse und die
Entwicklung von nachhaltigen Batteriesystemen mit verbesserter Ökobilanz
und Rohstoffverfügbarkeit im Vergleich zu etablierten
Batterietechnologien.

Fraunhofer IISB

Intelligente leistungselektronische Systeme und Technologien – unter
diesem Motto betreibt das 1985 gegründete Fraunhofer-Institut für
Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB angewandte Forschung
und Entwicklung zum unmittelbaren Nutzen von Wirtschaft und Gesellschaft.
Mit wissenschaftlicher Expertise und umfassendem System-Know-how
unterstützt es weltweit Kunden und Partner dabei, aktuelle
Forschungsergebnisse in wettbewerbsfähige Produkte umzusetzen, zum
Beispiel für Elektrofahrzeuge, Luftfahrt, Produktion und
Energieversorgung.

Seine Aktivitäten bündelt das Institut in den zwei Geschäftsbereichen
Leistungselektronische Systeme und Halbleiter. Dabei deckt es in
umfassender Weise die vollständige Wertschöpfungskette vom Grundmaterial
über Halbleiterbauelemente-, Prozess- und Modultechnologien bis hin zum
kompletten Elektronik- und Energiesystem ab. Als europaweit einzigartiges
Kompetenzzentrum für das Halbleitermaterial Siliziumkarbid (SiC) ist das
IISB Vorreiter bei der Entwicklung hocheffizienter Leistungselektronik
auch für extreme Anforderungen. Mit seinen Systemen setzt das IISB immer
wieder Benchmarks in Energieeffizienz und Leistungsfähigkeit. Durch die
Integration intelligenter datenbasierter Funktionalitäten werden
kontinuierlich neue Anwendungsszenarien erschlossen.

Das IISB hat rund 300 Mitarbeitende. Der Hauptstandort ist in Erlangen,
ein weiterer Standort befindet sich am Fraunhofer-Technologiezentrum
Hochleistungsmaterialien (THM) in Freiberg. Das Institut kooperiert eng
mit der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) und ist
Gründungsmitglied des Energie Campus Nürnberg (EnCN) sowie des
Leistungszentrums Elektroniksysteme (LZE). In gemeinsamen Projekten und
Verbänden arbeitet das IISB mit zahlreichen nationalen und internationalen
Partnern zusammen.