Sicherer, günstiger und leistungsstärker? Das Versprechen von Aluminium‑Batterien

Hochkapazitätsbatterien, die schneller aufladen und länger halten, sind entscheidend für die Energieversorgung der Zukunft von tragbaren Elektronikgeräten, Elektrofahrzeugen und der Langzeitspeicherung von Energie.

In den letzten Jahrzehnten dominierten Lithium‑Ion‑Batterien dieses Feld. Als wiederaufladbare Batterien werden Lithium‑Ion‑Batterien durch die Bewegung dieser Ionen zwischen den positiven und negativen Elektroden, also Anoden und Kathoden, geladen und entladen.

Das in diesen Batterien verwendete Metall Lithium ist weich, silbrig und hochreaktiv. Es hat die geringste Dichte aller Metalle und kommt in Verbindungen als Mineral vor, wobei Chile der größte Produzent ist. Chile verfügt zudem über die größten Lithiumvorräte, gefolgt von Australien und China; Letzteres ist ebenfalls ein führender Hersteller von Lithium‑Ion‑Batterien.

Diese Batterien benötigen tatsächlich enorme Mengen an Wasser und Energie für die Herstellung. Zudem sind sie sehr schwer zu recyceln.

Während Lithium‑Ion‑Batterien ihre Leistungsfähigkeit in tragbaren Consumer‑Elektronikgeräten wie Smartphones, Laptops und anderen Handgeräten sowie in EVs und Speichersystemen für Solarstrom‑Backup bereits bewiesen haben, sucht der Markt nun nach Materialien, die Lithium‑Ion übertreffen und die nächste Generation von Geräten, Langstreckenfahrzeugen, Elektroflugzeugen und netzgebundenen Speichern antreiben können.

Dies hat Forscher zu Aluminium geführt, das vielversprechende Leistungen für sicherere, günstigere und leistungsstärkere Batterien zeigt.

Das Potenzial von Aluminium für die Weiterentwicklung von Batterien 

Die Bemühungen, wiederaufladbare Aluminium‑Batterien zu entwickeln, laufen bereits seit vielen Jahrzehnten, haben jedoch im letzten Jahrzehnt deutlich an Schwung gewonnen. Durch verstärkte Aufmerksamkeit und Forschung konnten Al‑Ion‑Batterien außergewöhnliche Lade‑ und Entladeraten erreichen. 

All diese Entwicklungen rund um Al‑Ion‑Batterien sind bedeutend, da das elektropositive Metall überlegene Vorteile bietet. 

Aluminiums einzigartige Eigenschaften umfassen ein geringes Gewicht, Korrosionsbeständigkeit und eine hohe Wärmeleitfähigkeit. 

Diese Vielseitigkeit macht das Metall in einer breiten Palette von Anwendungen in verschiedenen Branchen, insbesondere im Verkehr, äußerst nützlich. Metall wird umfangreich in der Herstellung von Autos, Flugzeugen und Zügen eingesetzt, weil es leicht und stark ist, was die Kraftstoffeffizienz verbessert und Emissionen reduziert. 

Eine weitere wichtige Anwendung von Aluminium ist die Bauindustrie, da es leicht zu bearbeiten ist und rauen Umweltbedingungen standhalten kann. Aluminium wird zudem stark in der Verpackungs-, Luftfahrt-, Chemie-, Militär- und Elektroindustrie eingesetzt.

Durch seine geringe Dichte und seine gute elektrische Leitfähigkeit ist Aluminium ideal für die Herstellung von elektrischen Leitern, Geräten wie Computern, Smartphones und Fernsehern sowie für den Einsatz in Freileitungen.

Noch wichtiger ist, dass Aluminium das am häufigsten vorkommende Metall in der Erdkruste ist. Als kostengünstiges Metall kann sein Einsatz in wiederaufladbaren Batterien die Batteriekosten erheblich senken, insbesondere für wirtschaftliche, großskalige Backup‑Systeme zur Speicherung erneuerbarer Energie.

Lithium‑Ion‑Batterien sind für diese Anwendungen immer noch zu teuer. Neben den hohen Kosten enthalten sie zudem ein entflammbares Elektrolyt, das ein Sicherheitsrisiko darstellt. Das am häufigsten vorkommende Metall der Erde und das kommerziell zweithäufigste Metall (nach Eisen) stellt hier eine geeignete Alternative dar.

Neben seiner Kostengünstigkeit besitzt Aluminium auch eine hohe volumetrische Kapazität, die viermal größer ist als die von Lithium und siebenmal größer als die von Natrium. Dies verdeutlicht das Potenzial von Aluminium, die Energiedichte von Batterien pro Volumeneinheit zu erhöhen.

Zudem ist Aluminium nicht entflammbar, was seine Verwendung als Elektrode weiter unterstützt. Der Einsatz dieses Metalls eliminiert zudem die Komplexität einer Interphasen‑Schicht, die in Lithium‑Ion‑Systemen häufig vorkommt. 

Das bedeutet jedoch nicht, dass Aluminium keine Mängel aufweist. Die Passivierung, Korrosion und Wasserstoffentwicklung in Aluminium‑Ion‑Batteriesystemen haben zu ihrer begrenzten Anwendung geführt. Eine weitere Herausforderung für Aluminium‑Ion‑Batterien ist die Auswahl von Anodenmaterialien aufgrund der hohen Ladungsdichte von Al³⁺‑Ionen, die zu langsamer Diffusionskinetik führen und damit die Leistungsfähigkeit der Batterie einschränken. 

Trotz dieser Herausforderungen sind Aluminium‑Ion‑Batterien ein vielversprechender Kandidat für großskalige Energiespeicherung, dank ihrer hohen spezifischen Kapazität, geringen Kosten, Leichtigkeit, guten Sicherheit und der natürlichen Häufigkeit von Aluminium.

Erforschung von Aluminium‑Ion‑Batterien für den realen Einsatz

Die Erforschung von Aluminium in Batterien läuft bereits seit einiger Zeit, weil neue Batteriekemologien benötigt werden, um den hohen Energiebedarf von beispielsweise Langstreckenflugzeugen und großflächigen Energiespeichern zu decken. Konventionelle Batterien können einfach nicht genug Energie speichern, um diese Systeme zu betreiben.

Vor etwa einem Jahrzehnt zeigten Forscher der Stanford University erstmals, dass eine Aluminium‑Ion‑Batterie stabil sein und über lange Zeit zyklen kann. Diese Al‑Ion‑Batterie konnte innerhalb einer Minute vollständig geladen werden und bis zu 7500 Lade‑/Entladezyklen mit geringem Kapazitätsverlust durchlaufen.

Eine Studie, die von Forschern der University of Queensland, Australien, Ende letzten Jahres durchgeführt wurde, hat gleichzeitig das technische Hindernis einer AIB‑Komponente¹ namens Festelektrolyt‑Interphase adressiert.

Eine Al‑Ion‑Batterie, ähnlich wie Lithium‑Ion‑Batterien, verfügt über eine Anode, eine Kathode und ein Elektrolyt, das Aluminiumionen transportiert, die zwischen den positiv geladenen und negativ geladenen Elektroden fließen. 

Während der Entladung bewegen sich die Ionen von der Anode zur Kathode, um Energie zu erzeugen, und beim Laden der Batterie kehrt der Prozess um, um Energie zu speichern. Bei Al‑Ion‑Batterien treten jedoch Instabilitäten beim Laden‑Entladen‑Zyklus auf, da sich Dendriten bilden, die Kurzschlüsse verursachen und zum Batterieversagen führen.

Die Antwort darauf, laut der Forschung, war, dass Aluminium‑Ion‑Batterien, ähnlich wie Lithium‑Ion‑Batterien, ein Vor‑Zyklisieren benötigen, um ihre Lebensdauer zu maximieren. Das Verständnis dieses speziellen Vor‑Zyklisierungsbedarfs kann zu besseren Designs führen, die eine längere und zuverlässigere Batterieleistung ermöglichen und sie damit näher an reale Anwendungen bringen.

In einer weiteren Studie vor einigen Jahren nutzten Forscher des Georgia Institute of Technology Aluminiumfolie, um Batterien zu entwickeln, die Elektrofahrzeugen ermöglichen, mit einer einzigen Ladung längere Strecken zurückzulegen.

In dieser Studie fügten die Forscher kleinen Mengen von über 100 verschiedenen Materialien zu Aluminium hinzu, um Folien mit spezifischen „Mikrostrukturen“ zu erzeugen. Die Aluminium‑Anode konnte mehr Lithium speichern als herkömmliche Anodenmaterialien, was mehr Energie bedeutet und zur Herstellung von Hochenergie‑Dichte‑Batterien führte.

Diese Forschungen zu Aluminium‑Batterien bergen ein enormes Potenzial, den Weg zu leistungsstärkeren Batterietechnologien für die Zukunft zu öffnen.

Neues Design zur Verlängerung der Lebensdauer von Aluminium‑Batterien

Angesichts der vielen Vorteile von Aluminium‑Ion‑Batterien hat kürzlich eine veröffentlichte Studie² in ACS Central Science ein kostengünstiges und umweltfreundliches Al‑Ion‑Batterie‑Design entwickelt, das den Übergang zu nachhaltiger, sauberer Energie unterstützen kann.

Im Zuge des globalen Strebens nach Nachhaltigkeit stellte die Studie fest, dass es notwendig sei, reichlich vorhandene und erneuerbare Ressourcen für Fortschritte in der Energiespeicher‑Batterietechnologie zu erforschen, um nachhaltige Entwicklung zu fördern.

Daher wandten sich die Forscher wiederaufladbaren Aluminium‑Ion‑Batterien (AIBs) mit nicht entflammbaren, raumtemperaturbasierten Chloroaluminat‑Ionenflüssigkeit‑Elektrolyten zu. Ihre breite Temperaturanpassungsfähigkeit, lange Zyklenlebensdauer und außergewöhnliche Sicherheit machen AIBs sehr geeignet für großskalige Energiespeichersysteme.

Natürlich leiden traditionelle Ionenflüssigkeit‑Elektrolyte in AIBs jedoch unter erheblichen Schwachstellen. Mit ihrem neuen Rahmenwerk versuchen die Forscher, das Korrosionsproblem des am häufigsten verwendeten Elektrolyts in Al‑Ion‑Batterien zu überwinden.

Das Elektrolyt – flüssiges Aluminiumchlorid – korrodiert nicht nur die Aluminium‑Anode, sondern verschlimmert den Zustand aufgrund seiner hohen Feuchtigkeitsempfindlichkeit. Dies führt zu schlechter Stabilität und einem im Laufe der Zeit nachlassenden elektrischen Leistungsvermögen. 

Um diese Einschränkung zu beseitigen, führten die Forscher ein inertes Aluminium‑Fluorid‑Salz in das Elektrolyt ein, das ein Al‑Ion enthielt und es zu einem Festelektrolyt machte. Die 3‑D‑poröse Struktur des Aluminium‑Fluorid‑Salzes ermöglicht es Aluminium‑Ionen, leicht durch das Elektrolyt zu „hüpfen“ und die Leitfähigkeit zu erhöhen.

Die Forscher setzten zudem Fluoroethylenkarbonat als Grenzflächen‑Additiv ein. Eine dünne feste Beschichtung dieses Materials auf den Elektroden verhinderte die Bildung von Aluminiumkristallen und schützte so die Gesundheit der Batterie vor Verschlechterung.

Mit diesen beiden Komponenten konnte das Team die Feuchtigkeitsbeständigkeit ihrer Batterie sowie deren thermische und physikalische Stabilität verbessern. Dies ermöglichte es der Festkörper‑Al‑Ion‑Batterie, Temperaturen bis zu 392 °F (oder 200 °C) zu widerstehen. Sie hielt zudem wiederholten Stichen eines scharfen Gegenstandes stand.

Bezüglich der Lebensdauer dieser Batterie stellte die Studie fest, dass sie außergewöhnlich lang ist. Die Festkörper‑Aluminium‑Ion‑Batterie hielt bis zu 10.000 Lade‑ und Entladezyklen aus, wobei sie weniger als ein Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität verlor. 

Was darüber hinaus ist, dass der größte Teil des verwendeten Aluminium‑Fluorids zurückgewonnen werden kann, indem er einfach gewaschen wird. Das AlF₃ kann dann in eine andere Batterie recycelt werden, wobei die Leistung nur leicht reduziert ist, was die Produktionskosten der Batterie weiter senkt.

“Dieses neue Al‑Ion‑Batterie‑Design zeigt das Potenzial für ein langlebiges, kostengünstiges und hochsicheres Energiespeichersystem. Die Möglichkeit, Schlüsselmaterialien zurückzugewinnen und zu recyceln, macht die Technologie nachhaltiger.”

– Wei Wang, State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, China

Die neue Batterie erhöht die Praktikabilität von Al‑Ion‑Batterien, indem sie die Herstellungskosten senkt und ihre Lebensdauer verlängert, aber weitere Verbesserungen sind weiterhin erforderlich in Energiedichte, Elektrolytestabilität und Lebensdauer, um die Kommerzialisierung dieser Batterie zu ermöglichen.

Klicken Sie hier, um mehr über eine Studie zu erfahren, die Mythen über das Altern von Batterien widerlegt hat.

Wichtige Akteure im Batteriemarkt

Das Aufkommen vielversprechender Next‑Generation‑Batterietechnologien bietet erhebliche Verbesserungen hinsichtlich Energiedichte, Sicherheit, Kosten und Lebensdauer gegenüber den aktuellen Lithium‑Ion‑Batterien. Sie werden voraussichtlich die Energieanforderungen transformieren, angetrieben durch Innovationen, die die Einschränkungen der heutigen Technologien adressieren. 

Werfen wir nun einen Blick auf Unternehmen, die die Grenzen der Batterietechnologie verschieben und in den kommenden Jahren ein enormes Wachstum erwarten können.

1. QuantumScape

Während die Welt nach Alternativen sucht, bleiben lithiumbasierte Batterien nach wie vor führend. Vor diesem Hintergrund gehört QuantumScape Corporation (QS ) zu den führenden Batterieunternehmen, die Festkörper‑Lithium‑Metall‑Batterietechnologie für Elektrofahrzeuge und andere Anwendungen entwickeln. 

Da herkömmliche Lithium‑Ion‑Batterien an ihre Grenzen stoßen, hat das Unternehmen das, was es als das erste anodenfreie Zelldesign der Branche bezeichnet, entwickelt, um eine hohe Energiedichte, reduzierte Materialkosten und eine vereinfachte Produktion zu ermöglichen.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Lithium‑Ion‑Batterien, die einen Polymerseparator besitzen, verwendet QuantumScape einen Festkörperseparator. Dies ermöglicht den Ersatz der Kohlenstoff‑ oder Silizium‑Anode durch eine Lithium‑Metall‑Anode, die energiedichter ist und somit mehr Energie im gleichen Volumen speichert. Im Design von QuantumScape wird die Batterie anodenfrei und im entladenen Zustand hergestellt.

Laut QuantumScape hat seine 24‑schichtige A0‑Prototypzelle über 1.000 vollständige Lade‑Entlade‑Zyklusäquivalente mit über 95 % Energierückhaltung abgeschlossen. Im Oktober stellte das Unternehmen sein geplantes erstes kommerzielles Produkt, QSE‑5, für Automobilanwendungen vor. Die QSE‑5‑B‑Sample‑Zelle, deren Kleinserienproduktion begonnen hat, weist eine gemessene Zellenergie von 21,6 Wattstunden (Wh) auf. Die QSE‑5‑Zellen können von 10 % auf 80 % in etwa 12 Minuten aufladen.

Mit einer Marktkapitalisierung von 2,62 Milliarden US‑$ handeln die QuantumScape‑Aktien derzeit bei 5,13 $, ein Rückgang von 1,16 % im Jahresverlauf. Das EPS (TTM) beträgt -0,95 und das KGV (TTM) -5,38.

Für das zuletzt gemeldete Quartal, d. h. Q3 2024, hatte das Unternehmen 17,9 Millionen $ Investitionsausgaben, während die GAAP‑Betriebskosten 130,2 Millionen $ betrugen und der GAAP‑Nettoverlust 119,7 Millionen $ ausmachte. Die Liquidität am Quartalsende betrug 841 Millionen $.

QuantumScape hat zudem mit dem Volkswagen‑Batteriehersteller PowerCo eine Partnerschaft geschlossen, um seine QSE‑5‑Technologie in die Massenproduktion zu überführen.

Während dieses Zeitraums berichtete das Unternehmen, dass es seine neue Separator‑Produktionstechnologie namens Raptor erfolgreich implementiert habe. Im Dezember kündigte das Unternehmen die Einführung von Cobra an, von dem QuantumScape sagt, dass es das Unternehmen in die Lage versetzen wird, in diesem Jahr höhervolumige Proben von QSE‑5 zu liefern. Cobra wird ebenfalls als ein wichtiger Schritt in Richtung Kommerzialisierung seiner Festkörperbatterien für Elektrofahrzeuge angesehen.

2. Solid Power

Gegründet 2011, Solid Power (SLDP ) wurde ausgegliedert von der University of Colorado Boulder mit Finanzierung von DARPA. Im Laufe der Jahre sicherte es sich Aufträge von der Luftwaffe und unterzeichnete eine Vereinbarung mit dem Department of Energy.

Im Jahr 2018 erhielt das Unternehmen seine erste eigenkapitalbasierte Finanzierungsrunde, und im Jahr 2021 kündigte es eine Investitionsrunde in Höhe von 135 Millionen $ an, die von der BMW Group, der Ford Motor Company (F ) und Volta Energy Technologies geleitet wurde. 

Sowohl Ford als auch die BMW Group haben seitdem ihre bestehenden gemeinsamen Entwicklungsvereinbarungen mit Solid Power ausgeweitet, um alle Festkörperbatterien für ihre zukünftigen Elektrofahrzeuge zu sichern. Im Vorjahr produzierte Solid Power 320 Wh/kg 20 Ah Lithium‑Metall‑Zellen, die laut eigenen Angaben die spezifische Energie kommerziell verfügbarer Lithium‑Ion‑Batterien übertreffen.

Das Unternehmen ist an der Entwicklung der nächsten Generation von All‑Solid‑State‑Batterietechnologie beteiligt, die seiner Aussage nach das zukünftige mobile Strommarkt revolutionieren könnte. Der Fokus liegt insbesondere auf sulfidbasierten Festelektrolyten für Elektrofahrzeuge, mit einem Kostenziel von 85 $/kWh. Ziel ist es, die Elektrolytherstellung zu skalieren, um bis 2028 jährlich Batteriezellen für 800 000 EVs zu produzieren.

Mit einer Marktkapitalisierung von 268,77 Millionen US‑$ handeln die Solid Power‑Aktien derzeit bei 1,50 $, ein Rückgang von 21,16 % im Jahresverlauf. Das Unternehmen begann erst Ende Dezember 2021 mit dem Handel an der Nasdaq. Das EPS (TTM) beträgt -0,47 und das KGV (TTM) -3,14.

Für seine zuletzt gemeldeten Finanzresultate, Q3 2024, erzielte Solid Power einen Umsatz von 4,7 Millionen $, was einem Rückgang von 1,7 Millionen $ gegenüber dem gleichen Quartal des Vorjahres entspricht. Dieser Umsatzrückgang resultierte hauptsächlich aus dem Abschluss seiner Meilensteine mit BMW. Die Betriebskosten für den Zeitraum waren höher aufgrund gestiegener Produktionskosten, Entwicklungskosten für Zelle und Elektrolyt, Skalierung des Betriebs und Umsetzung. Die Liquiditätsposition blieb jedoch stark, da Solid Power das Quartal mit einer Gesamtliquidität von 348,1 Millionen $ beendete.

In diesem Zeitraum begann das Unternehmen in seinem Elektrolyt‑Innovationszentrum (EIC) zu arbeiten, um die Herstellungsprozesse seines Vor‑Pilot‑Elektrolyts zu verbessern.

Kürzlich kündigte Solid Power an, dass es bis zu 50 Millionen $ an Fördermitteln vom US‑Energieministerium für die kontinuierliche Produktion von sulfidbasierten Festelektrolyt‑Materialien gesichert hat. Im Rahmen einer Unterstützungsvereinbarung wird Solid Power 60 Millionen $ aus eigenen Mitteln bereitstellen, um die Installation von Ausrüstung zu unterstützen, was voraussichtlich die Fertigungskapazität des Unternehmens stärken wird.

Fazit 

Lithium‑Ion‑Batterien bleiben in vielen gängigen Consumer‑Elektronikgeräten, Elektrofahrzeugen und Energiespeichersystemen (ESS) nach wie vor dominierend. Die wachsende Verbreitung dieser Batterien ist auf ihre hohe Energiedichte und ausgereiften industriellen Fertigungssysteme zurückzuführen, aber wenn wir erneuerbare, reichlich vorhandene Energiequellen in das Stromnetz integrieren wollen, benötigen wir bessere Lösungen.

Die Langzeitspeicherung von Solar‑ und Windenergie erfordert große Batterien, doch Lithium‑Ion‑Batterien sind für diese Aufgabe kostenintensiv. Ganz zu schweigen von ihrer Entflammbarkeit, die ein erhebliches Sicherheitsrisiko darstellt. Eine potenzielle Alternative für zuverlässige, großskalige Energiespeichersysteme sind wiederaufladbare Al‑Ion‑Batterien, die dank ihrer geringeren Kosten, verbesserten Sicherheit und hohen volumetrischen Kapazität ein vielversprechendes Gegenstück darstellen. 

Mit Fortschritten bei der Elektrolytestabilität und der Batterielebensdauer könnten Aluminium‑Ion‑Batterien eine Schlüsselrolle in der großskaligen Energiespeicherung, bei Elektrofahrzeugen und darüber hinaus spielen. Während noch Herausforderungen für ihre kommerzielle Machbarkeit bestehen, bringt die laufende Forschung diese Batterien näher an reale Anwendungen und könnte bald den zukünftigen gesellschaftlichen Bedarf an hochenergetischen und erschwinglichen Batterien decken.

Klicken Sie hier für eine Liste der Top‑Batterie‑Aktien, in die man investieren kann.