Aluminium ist reichlicher und billiger als Lithium, was es potenziell attraktiv für die Energiespeicherung im großen Maßstab macht, selbst wenn Technologie wurde nie leicht genug für den Auto- oder Telefongebrauch.
Aluminium hat gegenüber Lithium auch den Vorteil, dass es in metallischer Form ohne die Sicherheitsbedenken verwendet werden kann, die metallisches Lithium hervorruft.
Das Cornell-Team machte sich daran herauszufinden, warum Aluminiumbatterien Kurzschlüsse entwickeln und nach nur wenigen Lade- / Entladezyklen absterben. Dabei untersuchte es eine einfache Zelle, in der eine metallische Aluminiumkathode einer Edelstahlanode über einem in Elektrolyt getränkten Glasfaserabscheider gegenübersteht.
In wenigen Lade- / Entladezyklen wuchsen auf dem Edelstahl hohe, spärlich beabstandete Aluminiumspitzen, die durch die Glasfaser drückten und die gegenüberliegende Aluminiumelektrode kurzschlossen. Gleiches galt für die Verwendung von nicht planaren Nickelschäumen anstelle von flachem Edelstahl.
Diese bergigen Ablagerungen sperrten Aluminium ein, was laut Cornell zu einer zyklischen Reduzierung der gespeicherten Energie in der kurzen Lebensdauer der Zelle führte.
Nichts davon war neues Wissen, noch war das nächste, was Cornell bestätigte: Ein wesentlicher Teil des Problems ist der Wunsch von Aluminium, mit dem Glasfaserabscheider zu reagieren, und seine mangelnde Begeisterung für die Oberfläche der Edelstahl- oder Nickelanode.
Die Frage wurde: Gibt es eine Elektrodenoberfläche, mit der Aluminium viel mehr als nur Glasfasern verbinden möchte?
Und Cornells Antwort war "Ja": Kohlenstofffasern mit einer oxidierten Oberfläche - eine, die die Bildung einer CO-Al-Bindung ermöglicht und Fasern mit Metall verbindet.
Die Oxidation kam frei, wenn er dem Elektrolyten ausgesetzt wurde, einer Mischung aus Imidazoliumchlorid und Aluminiumchlorid, die auf natürliche Weise Sauerstoff an zahlreiche Defekte auf der Kohlenstoffoberfläche bindet.
Anstatt Peaks zu bilden, sammelten sich Aluminiumionen, die auf der Oberfläche des oxidierten Kohlenstoffs landeten, eher seitlich als nach oben an und bildeten eine gleichmäßige Matte aus nanoskaligen Kristallen (siehe Foto). Selbst wenn größere Kristalle wuchsen, sobald die Oberfläche vollständig bedeckt war, blieben sie niedrig und kletterten nicht in Spitzen - und dies traf auch bei höheren Strömen zu, die normalerweise ein ungleichmäßiges Wachstum fördern würden.
Die Anoden haben durch Hunderte von Lade- / Entladezyklen über Tausende von Stunden - oder sogar Tausende von Zyklen - weit über 99% des abgeschiedenen Aluminiums zurückgeführt, je nach Strom und wie viel der letzten 1% jedes Mal übrig bleibt.
Anschließend wurde eine Beschichtung auf Kohlenstoffbasis für Edelstahl gefunden, die einen ähnlichen Effekt hatte, und eine modifizierte Version der Technik ist für metallische Zinkbatterien vielversprechend.
Die Cornell University arbeitete mit dem Brookhaven National Laboratory und der State University of New York in Stony Brook zusammen.
Diese Forschung wird in dem Nature Energy-Artikel "Regulierung der Morphologie der galvanischen Abscheidung in Aluminium- und Zinkbatterieanoden mit hoher Kapazität unter Verwendung von Grenzflächen-Metall-Substrat-Bindungen" behandelt.