Novel Production Route for Alloyed Aluminum Anodes of Rechargeable Aluminum Batteries

Alternative Batteriesysteme weisen im Vergleich zu aktuellen Lithium-Ionen Batterien einige Vorteile auf, besonders hinsichtlich der Anwendung in Großspeichersystemen. So ist Aluminium reichlich verfügbar, kostengünstig und bietet eine hohe gravimetrische Energiedichte. Die Bedeutung der Aluminiumanode für die Zyklusstabilität nicht-wasserbasierter Aluminiumbatterien wurde in der Vergangenheit unterschätzt. Durch die jüngsten Fortschritte bei den Kathodenmaterialen ist jedoch ein Wechsel des Forschungsschwerpunktes auf die Anode erkennbar. Die native Oxidschicht von Aluminium stellt dabei eine zentrale Herausforderung dar, da sie zu inhomogener Korrosion, Repassivierung, sowie instabilem Plating- und Stripping-Verhalten bei hohen Stromdichten führt. Folglich konzentriert sich ein Großteil der Literatur auf die Modifikation, Substitution oder Entfernung der Oxidschicht sowie auf die Unterdrückung des Dendritenwachstums. Das Legieren von Zink wird als effektiver Ansatz beschrieben, um die Leistung von Aluminium-Luft-Batterien durch eine Veränderung der nativen Oxidschicht zu verbessern. Zur Untersuchung der Übertragbarkeit dieses Effekts auf Systeme basierend auf nicht-wässrigen Elektrolyten, wurden Anoden aus einer Al 3.5 Gew.-% Zn-Legierung hergestellt und symmetrischen Zelltests unterzogen, die ein erhöhtes Überspannungsverhalten zeigten. Neben der Auswirkung des Legierungselementes Zink wurde der Einfluss der Oberflächenbeschaffenheit auf die Batterieleistung untersucht. Im Anschluss richtete sich der Fokus auf Aluminium-Magnesium-Legierungen mit kontrollierter Mikrostruktur. Es wird erneut versucht, die Oxidstabilität durch Legierungselemente gezielt zu verändern, während gleichzeitig eine porenähnliche Oberfläche durch selektives Ätzen einer homogen verteilten Sekundärphase erzeugt wird. Anoden aus zwei Legierungen (Al-6Mg-0.4Mn-0.2Zr-0.2Sc und Al-6Mg-0.4Mn-0.3Zr-0.08Y) wurden mit angepassten Wärmebehandlungen hergestellt, mittels REM/EDX charakterisiert und Batterietests in symmetrischen Zellen mit AlCl3/[EMIm]Cl-Elektrolyt unterzogen. Eine signifikant erhöhte effektive Oberfläche konnte durch selektives Ätzen magnesiumreicher Inseln mit Phosphorsäure erreicht werden. Weder die zugesetzten Legierungselemente noch Spurenelemente aus der verwendeten Aluminiumbasis führten bei Stromdichten von 0.05 mA/cm² und 0.1 mA/cm² zu instabilem Zyklisierungsverhalten. Im Vergleich zu 99,99 %iger Aluminiumfolie, welche derzeit Standard in der Batterieforschung ist, zeigte sich eine Reduktion des initialen Ladungsübertragungswiderstands um 88 % bzw. 77 % für die Scandium- bzw. Yttrium-enthaltenden Anoden und in den Zyklisierungsmessungen konnte eine schnellere Stabilisierung nachgewiesen werden. Elektrochemische Impedanzspektroskopie-Messungen nach den Zyklisierungsversuchen ergaben nur vernachlässigbare Unterschiede im Ladungsübertragungswiderstand. Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um die Wirksamkeit der Dendritenbildungshemmung durch die porenähnliche Oberfläche bei höheren Stromdichten sowie in Vollzellen zu bewerten.