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Löst die Magnesiumbatterie Lithium-Ionen-Batterien ab?

Magnesiumbatterien sind potenziell leistungsfähiger und sicherer als Lithium-Ionen-Batterien. Zudem ist Magnesium wesentlich verfügbarer und auch günstiger. Die besondere Herausforderung bei Magnesiumbatterien ist jedoch eine lange Lebensdauer. Forscher untersuchen daher intensiv, wie die Technik der Magnesium-Batterie in die Praxis überführt werden kann.

Forschende am HIU montieren Magnesiumbatterien unter Argon-Schutzgas. (Foto: Laila Tkotz / KIT)

Forschende am HIU montieren Magnesiumbatterien unter Argon-Schutzgas. (Foto: Laila Tkotz / KIT)

Eine Magnesiumbatterie hat im Vergleich zu konventionellen Lithium-Ionen-Batterien entscheidende Vorzüge: Magnesium als Anodenmaterial ermöglicht eine höhere Energiedichte. Zudem könnte eine breite Verfügbarkeit von Magnesiumbatterien die Elektrifizierung von Mobilität und den Ausbau dezentraler Heimspeicher entscheidend voranbringen.

Magnesiumbatterien sind außerdem viel sicherer, da sich z. B. an den Magnesium-Anoden keine Dendrite bilden. Solche elektrochemischen Ablagerungen an den Elektroden können bei Lithium-Ionen-Batterien nadelartige Strukturen bilden und Störungen oder sogar gefährliche Kurzschlüsse verursachen. Bei Magnesium gibt es keine vergleichbaren Prozesse. Deshalb kann Magnesium in metallischer Form verwendet werde und so die sehr hohe Speicherkapazität des Metalls direkt nutzen. Das steigert die Leistungsfähigkeit der Magnesium-Batterie.

Neben der größeren Sicherheit und Energiedichte könnte der Einstieg in die Magnesiumtechnologie bei der Batteriefertigung außerdem dabei helfen, die Abhängigkeit von Lithium als Rohstoff zu verringern: Als Element ist Magnesium auf der Erde etwa 3.000 Mal so häufig vertreten wie Lithium und kann im Gegensatz dazu einfacher recycelt werden.

Entsprechend wären Magnesiumbatterien auch günstiger als Lithium-Ionen-Batterien. Kommt Europa bei der Entwicklung zügig voran, könnten Magnesiumbatterien außerdem dabei helfen, die Dominanz der asiatischen Produzenten von Batteriezellen zu vermindern und eine konkurrenzfähige Batteriefertigung in Europa zu etablieren.

Magnesium-Batterien mit Luftelektroden

Forscher aus Bonn, Ulm und Berlin erarbeiten im Projekt MgLuft die Grundlagen für wiederaufladbare Hochenergie-Batterien. Diese verwenden Magnesium als negative und eine Luftelektrode als positive Elektrode wie sie aus Brennstoffzellen bekannt sind (Magnesium-Luft-Batterie).

Die Luftelektrode, an der Sauerstoff aus der Luft umgesetzt wird, hat den Vorteil, dass Schwermetalle allenfalls in kleiner Menge als Katalysator eingesetzt und nicht in stöchiometrischer Menge als aktive Masse benötigt werden. Gegenüber anderen Batterie-Systemen trägt dies ebenfalls zu einer gesteigerten Leistungsdichte und größeren Umweltfreundlichkeit bei.

Neue Festelektrolyte für Magnesium-Ionen

Die Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa erforscht Natrium- und Magnesium-Batterien. Sein Team hat Testzellen basierend auf den beiden Metallen entwickelt. Dabei werden so genannte Festelektrolyte (nicht die bekannten Flüssigelektrolyte) eingesetzt. Dies ist äußerst anspruchsvoll, denn die Ionen – ob Lithium, Natrium oder Magnesium – müssen sich in diesem festen Umfeld bewegen können. Indem die (positiv geladenen) Ionen im Akku von einem Pol zum anderen wandern, ermöglichen sie die Bewegung der (negativ geladenen) Elektronen und erzeugen somit Strom.

Um die Mobilität der Ionen zu gewährleisten, entwickelten die Forschenden feste Elektrolyten, die eine kristalline chemische Struktur aufweisen. Als das Team um Arndt Remhof Lithium durch die Metalle Natrium bzw. Magnesium ersetzte, musste es diese Kristallstruktur komplett überarbeiten sowie auf neue Verbindungen und Herstellungsverfahren zurückgreifen.

Magnesiumakku erreicht vierfache Energiedichte

Durch ein neues Kathodendesign konnten Forscher der Universität Houston eine Energiedichte von 400 mAh/g erreichen, verglichen mit 100 mAh/g für frühere Magnesiumakkus und mit Li-Ion-Akkus, bei 200 mAh/g liegen. Das neue Design für die Akkukathode stellte die bisherigen Erkenntnis, dass die Magnesiumchlorid-Bindung aufgebrochen werden muss, bevor Magnesium in das Wirtsmaterial einfügt wird, auf den Kopf.

Denn die neue Magnesium-Batterie speichert Energie durch Einfügen von Magnesiummonochlorid (MgCl-) in ein Wirtsmaterial wie Titandisulfid (TiS2). Durch Beibehalten der Magnesiumchlorid-Bindung, zeige die Kathode, laut den Forschern der Universität Houston, viel schneller Diffusion als herkömmliche Magnesium-Versionen.

E-MAGIC bündelt Magnesium-Batterie-Forschung

Um die Entwicklung von Magnesium-Batterien zu beschleunigen, werden relevante Aktivitäten 10 verschiedener europäischer Wissenschaftsinstitutionen jetzt im Forschungsprojekt European Magnesium Interactive Battery Community (E-MAGIC) gebündelt. In E-MAGIC vereinen die Partner alle notwendigen Schritte zur Entwicklung von Magnesium-Batterien, von der Grundlagenforschung bis zu den Prozessen bei der Zellproduktion.

Mit dabei ist u.a. das Helmholtz-Institut Ulm (HIU), einem vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) in Kooperation mit der Universität Ulm und den assoziierten Partnern DLR und ZSW gegründetes Forschungsinstitut. Koordiniert wird E-MAGIC von der spanischen Fundación Cidetec.

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"Löst die Magnesiumbatterie Lithium-Ionen-Batterien ab?" wurde am 03.01.2019 verfasst