Im Forschungsprojekt E-Magic entwickelt das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) mit Kooperationspartnern neuartige Magnesium-Batterien, die leistungsfähiger, günstiger und sicherer als konventionelle Lithium-Ionen-Batterien sein sollen. Laut einer Mitteilung des KIT ermöglicht Magnesium als Anodenmaterial eine höhere Energiedichte.
„Magnesium ist ein vielversprechendes Material und einer der wichtigsten Kandidaten unserer Post-Lithium-Strategie“, so Professor Maximilian Fichtner, der stellvertretende Leiter des Helmholtz-Instituts Ulm (HIU), einem vom KIT in Kooperation mit der Universität Ulm und den assoziierten Partnern DLR und ZSW gegründeten Forschungsinstitut zur Erforschung und Entwicklung elektrochemischer Batteriekonzepte. „Eine breite Verfügbarkeit von Magnesiumbatterien könnte die Elektrifizierung von Mobilität und den Ausbau dezentraler Heimspeicher entscheidend voranbringen“, sagt er.
Um die Entwicklung des neuartigen Batterietyps zu beschleunigen, kooperiert das HIU im Forschungsprojekt European Magnesium Interactive Battery Community (E-Magic) nun mit weiteren wissenschaftlichen Institutionen auf dem Gebiet der Batterie- und Materialforschung. Das im Programm „Horizon 2020“ von der EU geförderte Forschungsprojekt bündelt die Expertise von insgesamt zehn wissenschaftlichen Einrichtungen, das HIU erhält einen hohen sechsstelligen Betrag. Koordiniert wird das Projekt von der spanischen Fundación Cidetec.
In E-Magic vereinen die Partner alle notwendigen Schritte zur Entwicklung von Magnesium-Batterien, von der Grundlagenforschung bis zu den Prozessen bei der Zellproduktion. Die Wissenschaftler des HIU wollen dabei vor allem dazu beitragen, die Hindernisse und Herausforderungen auf Ebene der Materialien zu verstehen und neue Lösungen für derzeitige Hindernisse zu schaffen.
Besondere Herausforderung ist lange Lebensdauer
„Die besondere Herausforderung bei Magnesiumbatterien ist eine lange Lebensdauer“, erklärt Zhirong Zhao-Karger, die in der Forschungsgruppe Festkörperchemie des HIU die Aktivitäten des neuen Forschungsprojekts koordiniert. Doch es gebe eine Reihe positiver Eigenschaften des neuen Batteriematerials, die man nutzen wolle: So bilden sich zum Beispiel an den Magnesium-Anoden keine Dendrite.
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 können wir Magnesium in metallischer Form verwenden und so die sehr hohe Speicherkapazität des Metalls direkt nutzen. Das steigert die Leistungsfähigkeit der Batterie“, meint Zhao-Karger.
Abhängigkeit von Lithium als Rohstoff verringern
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, heißt es in der Mitteilung. Als Element sei Magnesium auf der Erde etwa 3.000 Mal so häufig vertreten wie Lithium und könne im Gegensatz dazu einfacher recycelt werden. Entsprechend wären Magnesiumbatterien auch günstiger als Lithium-Ionen-Batterien. Komme 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.
Laut einer im Frühjahr 2018 vom HIU veröffentlichten Analyse könnte die Verfügbarkeit von Lithium und Kobalt als wesentliche Bestandteile von Lithium-Ionen-Batterien durch die erhöhte Nachfrage zunehmend kritisch werden. Beide Elementreserven wiesen zudem eine starke geografische Konzentration auf und befinden sich in Ländern, welche als politisch weniger stabil eingestuft werden.