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Energietechnik/-Anwendungen | Energiespeicher, Batterieanlagen

Lithiumfreie Alternativen

Magnesium-Batterien – Umweltfreundlich, leicht und günstig

20.09.2017

Magnesium-Batterien könnten die Zukunft der modernen Stromversorgung sein. Sie sind nicht brennbar und explodieren nicht – im Gegensatz zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien.

Bisher verfügten die  Magnesium-Batterien allerdings nicht über genügend Speicherkapazität, um sie serienmäßig herzustellen und in Geräten zu verbauen, die mit Lithium-Ionen-Akkus laufen.

Forschern gelang Durchbruch

Die Forscher der Universität Houston in Texas berichteten der Zeitschrift Nature Communications von einem neuen Design für die Akkukathode, die die Speicherkapazität verdoppelt. Die bisherige Meinung, die Magnesium-Chlorid-Bindung müsse aufgebrochen werden, um sie in das Wirtsmaterial einzufügen, wurde verworfen. Die neue Batterie speichert Energie durch Einfügen von Magnesiumchlorid in Wirtsmaterial wie Titandisulfid. Die Magnesiumchlorid-Bindung wurde beibehalten. Die Kathode zeigt viel schneller Diffusion als herkömmliche Magnesium-Versionen. Lithium-Ionen-Batterien haben eine Spannung von etwa drei bis vier Volt. Die Spannung der neuen Batterie liegt bei etwa einem Volt und ist damit vergleichsweise niedrig. Die Speicherkapazität der neuen Batterie liegt bei 400 mAh/g und ist damit etwa viermal so hoch wie die der bisherigen Magnesium-Batterien, die bei circa 100 mAh/g lag. Vergleichbare Lithium-Ionen-Batterien weisen eine Energiedichte von nur 200 mAh/g auf. Mit Magnesium kann doppelt so viel Energie gespeichert werden wie mit Lithium. Der Schlüssel lag darin, so die Forscher, das Titandisulfid so aufzuweiten, damit das Magnesiumchlorid eingefügt werden kann, ohne das Magnesiumchlorid-Bindung aufzubrechen. Die Beibehaltung der Bindung verdoppelt die Ladung, die die Kathode speichern kann. Das vierstufige Verfahren wird als Interkalation bezeichnet.

Magnesium sicherer als Lithium

Lithium-Ionen-Batterien mit hoher Spannung und Energiedichte bilden derzeit den Standard. Lithium ist jedoch vergleichsweise teuer. Zudem ist das Leichtmetall nicht ganz unproblematisch, wie beispielsweise die in Smartphones von Samsung verbauten Akkus in der Vergangenheit zeigten. Sie können Feuer fangen oder gar explodieren. Magnesium hingegen ist vergleichsweise billig, da weltweit große Ressourcen existieren. Der entscheidende Vorteil besteht allerdings – neben der doppelten Speicherkapazität – in der Sicherheit des Materials. Es ist weniger reaktiv und damit weniger gefährlich. Während des Aufladens bilden sich keine Ablagerungen. Magnesium kann außerdem günstig hergestellt werden, da es weniger schnell mit Luft reagiert und sich dadurch einfacher bearbeiten lässt. „Wir hoffen, dass dies eine allgemeine Strategie ist“, sagte Hyun Deog Yoo, Mitarbeiter des Forscherteams der Universität Houston, der Zeitschrift. „Wenn wir verschiedene polyatomare Ionen in Wirtsmaterialien mit höherer Spannung einlagern können, streben wir an, Akkus mit höherer Energiedichte zu einem niedrigeren Preis zu schaffen, besonders für Elektrofahrzeuge“, so Yoo weiter.

Autor
Name: Antje Schubert