Entwickler von Aluminium

Sep 20, 2023

Eine bahnbrechende Graphen-Aluminium-Ionen-Batterietechnologie könnte Lithium-Ionen hinsichtlich Leistung, ... [+] Energiedichte, Wiederaufladegeschwindigkeit und Umweltfreundlichkeit umhauen. Foto: Graphene Manufacturing Group

Reichweitenangst, Recycling- und Schnellladeängste könnten mit einer auf Nanotechnologie basierenden australischen Batterieerfindung der Geschichte von Elektrofahrzeugen angehören.

Die Graphen-Aluminium-Ionen-Batteriezellen der in Brisbane ansässigen Graphene Manufacturing Group (GMG) sollen sich bis zu 60-mal schneller aufladen als die besten Lithium-Ionen-Zellen und dreimal so viel Energie speichern wie die besten Zellen auf Aluminiumbasis.

Außerdem sind sie sicherer, da die Stromobergrenze nicht zu spontaner Überhitzung führt, sind nachhaltiger und dank ihrer stabilen Grundmaterialien einfacher zu recyceln. Tests haben außerdem gezeigt, dass die Knopfzellen-Validierungsbatterien dreimal länger halten als Lithium-Ionen-Versionen.

GMG plant, Ende dieses oder Anfang nächsten Jahres Graphen-Aluminium-Ionen-Knopfzellen auf den Markt zu bringen. Die Einführung von Pouch-Zellen für die Automobilindustrie ist für Anfang 2024 geplant.

Basierend auf bahnbrechender Technologie des Australian Institute for Bioengineering and Nanotechnology der University of Queensland (UQ) nutzen die Batteriezellen Nanotechnologie, um Aluminiumatome in winzige Perforationen in Graphenebenen einzufügen.

Die Aluminium-Ionen-Technologie der Graphene Manufacturing Group kann ein iPhone in weniger als 10 ... [+] Sekunden aufladen. Es funktioniert, indem es Aluminiumatome in Perforationen im Graphen fallen lässt. Foto: Graphene Manufacturing Group

Tests in der von Experten begutachteten Fachpublikation „Advanced Functional Materials“ kamen zu dem Schluss, dass die Zellen eine „hervorragende Hochgeschwindigkeitsleistung (149 mAh g−1 bei 5 A g−1)“ aufwiesen und alle zuvor berichteten AIB-Kathodenmaterialien übertrafen.

GMG-Geschäftsführer Craig Nicol betonte, dass die Zellen seines Unternehmens zwar nicht die einzigen in der Entwicklung befindlichen Graphen-Aluminium-Ionen-Zellen seien, sie aber mit Abstand die stärksten, zuverlässigsten und am schnellsten aufladbaren Zellen seien.

„Es lädt sich so schnell auf, dass es im Grunde ein Superkondensator ist“, behauptete Nicol. „Es lädt eine Knopfzelle in weniger als 10 Sekunden auf.“

Die neuen Batteriezellen sollen eine weitaus höhere Leistungsdichte als aktuelle Lithium-Ionen-Batterien liefern, ohne die Probleme mit Kühlung, Heizung oder seltenen Erden, mit denen sie konfrontiert sind.

„Bisher gibt es keine Temperaturprobleme. Zwanzig Prozent eines Lithium-Ionen-Akkupacks (in einem Fahrzeug) sind mit der Kühlung verbunden. Es besteht eine sehr hohe Wahrscheinlichkeit, dass wir diese Kühlung oder Heizung überhaupt nicht benötigen.“ behauptete Nicol.

„Es kommt nicht zu einer Überhitzung, und in den bisherigen Tests funktionierte es problemlos unter Null.

„Sie benötigen keine Kreisläufe zum Kühlen oder Heizen, was derzeit etwa 80 kg in einem 100-kWh-Paket ausmacht.“

Wenn Aluminium-Ionen-Batterien aufgeladen werden, kehren sie zur negativen Elektrode zurück und tauschen drei Aluminium-[+]-Elektronen pro Ion aus, verglichen mit der Höchstgeschwindigkeit von Lithium von nur einem. Foto: Graphene Manufacturing Group

Nicol betonte, dass die neue Zelltechnologie auch industrialisiert werden könnte, um in aktuelle Lithium-Ionen-Gehäuse wie die MEB-Architektur des Volkswagen-Konzerns zu passen und so Probleme mit Architekturen der Automobilindustrie zu vermeiden, die in der Regel bis zu 20 Jahre lang verwendet werden.

„Unsere werden die gleiche Form und Spannung wie die aktuellen Lithium-Ionen-Zellen haben, oder wir können auf die gewünschte Form umsteigen“, bestätigte Nicol.

„Es ist ein direkter Ersatz, der sich so schnell auflädt, dass er im Grunde ein Superkondensator ist.“

„Einige Lithium-Ionen-Zellen können nicht mehr als 1,5 bis 2 Ampere leisten, sonst kann die Batterie explodieren, aber unsere Technologie kennt keine theoretischen Grenzen.“

Aluminium-Ionen-Batteriezellen sind ein vielversprechender Entwicklungsstandort, insbesondere für den Einsatz im Automobilbereich.

Zu den jüngsten Projekten gehörte allein eine Zusammenarbeit zwischen der chinesischen Dalian University of Technology und der University of Nebraska sowie weiteren Projekten der Cornell University, der Clemson University, der University of Maryland, der Stanford University, dem Department of Polymer Science der Zhejiang University und dem europäischen Industriekonsortium Alion.

Die Unterschiede sind sehr technischer Natur, aber die GMG-Zellen verwenden Graphen aus dem firmeneigenen Plasmaverfahren anstelle der herkömmlichen Graphitgewinnung, und das Ergebnis ist die dreifache Energiedichte der nächstbesten Zelle der Stanford University.

Die Aluminium-Ionen-Knopfzelle der Graphene Manufacturing Group wird Anfang 2022 in Produktion gehen. Foto: ... [+] Graphene Manufacturing Group

Die natürliche Graphit-Aluminium-Ionen-Technologie von Stanford liefert 68,7 Wattstunden pro Kilogramm und 41,2 Watt pro Kilogramm, während der Graphitschaum bis zu 3000 W/kg leistet.

Die GMG-UQ-Batterie steigert die Leistung auf 150 bis 160 Wh/kg und 7000 W/kg.

„Sie (UQ) haben einen Weg gefunden, Löcher in Graphen zu bohren und Aluminiumatome in den Löchern näher beieinander zu speichern.

„Wenn wir Löcher bohren, bleiben die Atome im Graphen stecken und es wird viel dichter, wie eine Bowlingkugel auf einer Matratze.“

Die von Experten begutachtete Veröffentlichung „Advanced Functional Materials“ stellte fest, dass oberflächenperforiertes, dreischichtiges Graphen (SPG3-400) „eine erhebliche Menge an Mesoporen in der Ebene (≈2,3 nm) und ein extrem niedriges O/C-Verhältnis von 2,54 % aufwies“. hat eine hervorragende elektrochemische Leistung gezeigt.

„Dieses SPG3-400-Material weist eine außergewöhnliche reversible Kapazität (197 mAh g−1 bei 2 A g−1) und eine hervorragende Hochgeschwindigkeitsleistung auf“, heißt es abschließend.

Die Aluminium-Ionen-Technologie hat wesentliche Vor- und Nachteile gegenüber der herausragenden Lithium-Ionen-Batterietechnologie, die heute in fast jedem Elektrofahrzeug verwendet wird.

Wenn eine Zelle aufgeladen wird, kehren Aluminiumionen zur negativen Elektrode zurück und können drei Elektronen pro Ion austauschen, anstelle der Geschwindigkeitsbegrenzung von Lithium auf nur eins.

Der Einsatz von Aluminium-Ionen-Zellen bietet zudem einen enormen geopolitischen, Kosten-, Umwelt- und Recyclingvorteil, da kaum exotische Materialien zum Einsatz kommen.

„Es handelt sich im Wesentlichen um Aluminiumfolie, Aluminiumchlorid (der Vorläufer von Aluminium und kann recycelt werden), ionische Flüssigkeit und Harnstoff“, sagte Nicol.

„Neunzig Prozent der weltweiten Lithiumproduktion und -einkäufe erfolgen immer noch über China und 10 Prozent über Chile.“

„Wir haben hier in Australien alles Aluminium, das wir brauchen, und es kann sicher in der Ersten Welt hergestellt werden.“

Der wissenschaftliche Leiter der Graphene Manufacturing Group, Dr. Ashok Kumar Nanjundan (links), und Dr. ... [+] Xiaodan Huang vom Australian Institute for Bioengineering and Nanotechnology der University of Queensland sprechen über den Batteriedurchbruch. Foto: Graphene Manufacturing Group.

GMG ist an der Börse TSX Venture in Kanada notiert und hat sich an die Graphen-Aluminium-Ionen-Batterietechnologie von UQ angeschlossen, indem es die Universität mit Graphen beliefert.

„Unser leitender Produktwissenschaftler Dr. Ashok Nanjundan war in den Anfängen des Nanotechnologie-Forschungszentrums des University of Queensland-Projekts involviert“, sagte Nicol und räumte ein, dass GMG beinahe „Glück“ bei der Technologie gehabt hätte, indem es Forschungsprojekte kostenlos mit seinem Graphen beliefert habe.

GMG hat keinen Liefervertrag mit einem großen Hersteller oder einer Produktionsstätte abgeschlossen.

„Wir sind noch nicht an große Marken gebunden, aber das könnte in ein Apple iPhone passen und es in Sekundenschnelle aufladen“, bestätigte Nicol.

„Wir werden zuerst die Knopfzelle auf den Markt bringen. Sie lädt sich in weniger als einer Minute auf und hat dreimal so viel Energie wie Lithium“, heißt es in dem Produkt von Barcaldine.

„Außerdem ist es viel weniger schädlich für die Gesundheit. Ein Kind kann durch Lithium sterben, wenn es eingenommen wird, aber nicht durch Aluminium.“

Die Knopfbatterie wird die erste Aluminium-Ionen-Batterie der Graphene Manufacturing Group in Produktion sein, ... [+] ab Anfang nächsten Jahres. Foto: Graphene Manufacturing Group

Ein weiterer Vorteil wären die Kosten. Lithium ist von 1.460 US-Dollar pro Tonne im Jahr 2005 auf 13.000 US-Dollar pro Tonne in dieser Woche gestiegen, während der Preis für Aluminium im gleichen Zeitraum von 1.730 US-Dollar auf 2.078 US-Dollar gestiegen ist.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die GMG-Graphen-Aluminium-Ionen-Zellen kein Kupfer verwenden, was etwa 8470 US-Dollar pro Tonne kostet.

GMG ist zwar offen für Fertigungsvereinbarungen, der bevorzugte Plan von GMG besteht jedoch darin, die Technologie so weit wie möglich auszuprobieren, zunächst mit 10-Gigawatt- bis 50-GW-Anlagen, auch wenn Australien möglicherweise nicht die logische erste Wahl für die Produktionsstätte ist.

Es ist auch nicht das einzige in Brisbane ansässige Unternehmen, das weltweit Batterielösungen vorantreibt.

Die PPK Group hat ein Joint Venture mit der Deakin University zur Entwicklung von Lithium-Schwefel-Batterien und die Vecco Group hat einen Vertrag mit Shanghai Electric über eine Produktionsanlage für Vanadiumbatterien zur kommerziellen Energiespeicherung in Brisbane bestätigt.