Aluminium-Ionen-Akkumulator

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Ein Aluminium-Ionen-Akkumulator, auch Aluminiumionen-Akku, ist ein Akkumulator-Typ, welcher auf Aluminiumverbindungen basiert. Er ist im Aufbau ähnlich wie der Lithiumionenakkumulator, an der positiven Elektrode kommt dabei aber das Leichtmetall Aluminium statt Lithium zum Einsatz. Aluminium-Ionen-Akkumulatoren sind, in verschiedenen Variationen, seit den 1980er Jahren Ziel verschiedener Forschungsprojekte. So wurden im Jahr 2015 an der Stanford University Verbesserungen wie vergleichsweise geringe Ladezeiten gemeldet, praktische Aufbauten beschränken sich bei diesen Akkumulatoren auf einzelne Prototypen.[1] Selbst bei starker Beschädigung im Einsatz entzündete sich der Akku bei Tests nicht.[2]

Durch den Ersatz von Lithium durch Aluminium an der positiven Elektrode ergibt sich zwar eine geringere elektrische Zellspannung von 2,65 V als im Vergleich zu Lithiumionenakkumulatoren mit ca. 3,7 V. Dafür ist die theoretische mögliche Energiedichte mit bis zu 1 kWh/kg deutlich höher als im Vergleich zu Lithiumionenakkumulatoren mit einer Grenze um die 400 Wh/kg.[3] Die Differenz ergibt sich aus dem Umstand, dass Aluminium drei Valenzelektronen aufweist, während Lithium nur ein Valenzelektron besitzt.

Zu den praktischen Schwierigkeiten bei Aluminium-Ionen-Akkumulatoren zählt die geringe Lagerfähigkeit und dass die konkrete Kapazität von der Betriebstemperatur und der Ladezyklenanzahl abhängt.[4]

Reaktionsgleichungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

An der positiven Elektrode läuft nachfolgende chemische Reaktion ab. Dabei verläuft die Reaktion von links nach rechts beim Laden des Akkumulators, bei der Entladung verläuft der reversible chemische Prozess in der Gegenrichtung:[5]

An der negativen Elektrode gilt analog dazu:

Zusammen ist die Reaktionsgleichung des gesamten Akkus gegeben als:

In diesem Falle kommt Mangan(IV)-oxid als Kathodenmaterial zum Einsatz, es gibt aber auch Ansätze die Vanadium(V)-oxid[6] oder Graphit[1] verwenden. Zur Maximierung der Oberfläche werden in den unterschiedlichen Experimentalaufbauten die Elektroden in Form von Nanodrähten gestaltet und unterschiedliche Elektrolyte eingesetzt.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. a b Meng-Chang Lin et al.: An ultrafast rechargeable aluminium-ion battery. In: Nature. Band 520, Nr. 7547. Macmillan Publishers Limited, S. 324–328, doi:10.1038/nature14340.
  2. Felix Austen: Alu-Akkus: Der Traum aller Smartphone-User. In: wissenschaft.de. Bild der Wissenschaft, 10. Juli 2015, abgerufen am 15. Juli 2015.
  3. Oak Ridge National Laboratory: Aluminum-Ion Battery to Transform 21st Century Energy Storage. Oak Ridge National Laboratory. Archiviert vom Original am 19. November 2015. Abgerufen am 30. Oktober 2014.
  4. John Hewitt: DoE calls for a chemical battery with 5x capacity, within 5 years – can it be done?. Extreme Tech. Abgerufen am 30. Oktober 2014.
  5. Leland Teschler: Goodbye to lithium-ion batteries? In: MachineDesign.com. 22. März 2012, abgerufen am 16. Juni 2016.
  6. N. Jayaprakash, S. K. Das, L. A. Archer: The rechargeable aluminum-ion battery. In: Chemical Communications. Band 47, Nr. 47, 2011, S. 12610, doi:10.1039/C1CC15779E.