Forscher des Helmholtz-Instituts Ulm für elektrochemische Energiespeicherung, das zum Karlsruher Institut für Technologie (KIT) gehört, haben haben einen brauchbaren Elektrolyt für Magnesium-Schwefel-Akkus gefunden. Damit haben sie einen großen Schritt bei der Entwicklung der nächsten Batteriegeneration nach den Lithium-Ionen-Akkus getan. Schließlich ist der begrenzende Faktor des Lithiums seine Einwertigkeit. Das Lithiumion kann demnach nur eine elektrische Ladung tragen. Magnesium steht im Periodensystem der Elemente in der zweiten Hauptgruppe und ist somit zweiwertig. Es ist zwar schwerer als Lithium, kann aber dafür doppelt so viele Ladungen tragen, was die Energiedichte drastisch erhöht. Weitere Vorteile von Magnesium sind, dass es häufig in der Natur vorkommt, ungiftig ist und sich nicht wie Lithium an der Luft zersetzt.
Schwerfälliges Magnesium
Bisher waren die Fortschritte auf diesem Gebiet allerdings gering. Vor allem fehlte es an geeigneten Elektrolyten für das Magnesium, mit denen sich Batterien mit hoher Speicherkapazität und Leistungsdichte bauen lassen. Denn während sich die kleinen und leichten Lithiumionen schnell durch die gängigen Elektrolyte bewegen, schwimmen die Magnesiumionen nur schwerfällig zur Kathode. Die Ulmer Wissenschaftler um Maximilian Fichtner und Zhirong Zhao-Karger haben jetzt eine Kombination aus Elektroden und Elektrolyt gefunden, mit der sich die Ionen leichter bewegen. „Die Kombination von Magnesiumanode und Schwefelkathode ist eine der vielversprechendsten elektrochemischen Paarungen“, betonen die Forscher vom Helmholtz-Institut Ulm.
Bisher unerreichte Stabilität
Auf der Basis dieser Kombination haben sie einen neuen aussichtsreichen Elektrolyten entwickelt, der die Herstellung einer völlig neuen Generation von Batterien ermöglichen könnte. „Der neue Elektrolyt zeichnet sich durch eine ganze Reihe von vielversprechenden Eigenschaften aus“, erklären die Forscher. „So weist er eine bisher unerreichte elektrochemische Stabilität und einen sehr hohen Wirkungsgrad auf. Zusätzlich ist es möglich, den Elektrolyten in verschiedenen Lösungsmitteln und in hohen Konzentrationen zu verwenden.“ Außerdem ist der Elektrolyt chemisch kompatibel mit einer Schwefelkathode.
Herstellung ist einfach
Der neue Elektrolyt hat noch einen weiteren Vorteil: Seine Herstellung ist völlig simpel. „Es werden mit einer Magnesium-Stickstoffverbindung, Mg(HMDS)2, zusammen mit Aluminiumchlorid, AlCl3, zwei käufliche Standardchemikalien verwendet, die man in das gewünschte Lösungsmittel gibt und etwas rührt“, erklärt Maximilian Fichtner. „Dabei bildet sich der Magnesiumkomplex, der für den Magnesiumtransport in der Zelle sorgt. Eine Aufreinigung ist nicht notwendig, die Mischung kann danach direkt als Elektrolyt in der Batterie verwendet werden. Kürzlich haben wir zudem festgestellt, dass eine Variante dieses Elektrolyten auch stabil an Luft ist. Damit können wir nun auch mit der Entwicklung neuartiger Magnesium-Luft-Batterien beginnen.“ (Sven Ullrich)
