Magnesium-Ionen-Zellen gelten als wichtiger Baustein für eine umweltfreundliche Batterie der Zukunft. Weltweite Anstrengungen sollen diese Technologie zur Marktreife bringen. Auch in Österreich gehen Forschungsteams innovativen Ansätzen nach.
Praktisch in allen kommerziellen Anwendungen sind derzeit Lithium-Ionen-Batterien zu finden. Deren Herstellung und Recycling gelten jedoch als wenig umweltfreundlich. Auf der Suche nach ökologisch verträglicheren Alternativen setzt man rund um den Globus nun schon seit einiger Zeit u. a. auf Zellen mit Magnesium als Material für die Anode. Allerdings: Über die Labors der Forschungseinrichtungen sind diese Magnesium-Ionen-Akkus bisher nicht hinausgekommen. Dabei gelten sie aufgrund ihrer potenziellen Eignung zur nachhaltigen und vergleichsweise kostengünstigen Speicherung regenerativ erzeugter Energie als einer der Hoffnungsträger für das Gelingen der Energiewende.
In Österreich haben sich nun das Austrian Institute of Technology (AIT) und das Institute of Science and Technology (ISTA) zusammengetan, um im Forschungsprojekt „Magnifico“ eines der Haupthindernisse für die Marktreife dieser Technologie zu überwinden. Projektleiterin Martina Romio vom Center for Low-Emission Transport am AIT skizziert das Problem: „Herkömmliche Elektrolyte zersetzen sich an der Oberfläche der metallischen Anode und bilden dort eine isolierende Schicht, die den Ionenfluss und auch die elektrische Leitfähigkeit stark behindert. Das schränkt die Funktion der Batterie und deren Lebensdauer erheblich ein. Wir wollen ein Schutzmaterial entwickeln, das auf der Anode aufgetragen wird, die Zersetzung des Elektrolyts verhindert und den Ionenfluss aufrechterhält.“
Herstellung in bestehenden Anlagen
Im von der Forschungsförderungsgesellschaft FFG unterstützten Projekt werde versucht, die optimale Zusammensetzung für dieses Material auf anorganischer Basis zu finden. Dafür werden unter anderem elektrochemische, spektroskopische und mikroskopische Methoden eingesetzt, um die Stabilität dieser Anoden-Oberfläche bei unterschiedlichen Ladezuständen der Batterie zu bewerten. Am ISTA werden zudem Modellierungen und Computerberechnungen durchgeführt, wobei auch maschinelles Lernen zum Einsatz kommt. „Wir gehen davon aus, dass eine Zelle, die mit einer derart geschützten Magnesium-Anode ausgestattet ist, mehr als 4000 Ladezyklen erlaubt“, sagt Romio. „In Verbindung mit Hochspannungskathoden würde das bisherige Magnesium-Ionen-Batterien bei Weitem übertreffen.“ Außerdem soll die künftige Herstellung solcher Akkus mit jenen Techniken und auf jenen Anlagen möglich sein, die für die Produktion von Lithium-Ionen-Batterien entwickelt wurden. „Es braucht also keine zusätzliche industrielle Infrastruktur“, fasst Romio zusammen.
Der Einstieg der Magnesium-Technologie in die Batterie-Erzeugung hätte den Forschern zufolge gleich mehrere Vorteile. Magnesium ist eines der zehn häufigsten Elemente der Erdkruste und kommt damit rund 3000-mal öfter vor als Lithium, dessen Abbau zudem nur unter großem Ressourceneinsatz möglich ist. Es sei aber nicht nur umweltschonender – und daher mit geringeren Kosten – zu gewinnen, sondern aufgrund seiner hohen Energiedichte auch leistungsfähiger sowie sicherer bei der Verwendung in Speicherzellen: So bilden sich keine elektrochemischen Ablagerungen an den Elektroden, die die Speicherkapazität reduzieren und die Ursache für Kurzschlüsse sein können. Letztlich sei auch das Recycling, einer der Hauptkritikpunkte bei Lithium-Ionen-Akkus, mit vergleichsweise geringem ökologischen Fußabdruck möglich.
Einsatzbereiche von zur Marktreife geführten Magnesium-Ionen-Batterien sieht Romio vor allem in stationären Energiespeichersystemen wie etwa in intelligenten Energienetzen („Smart Grids“), in denen Erzeugung – vorzugsweise aus erneuerbaren Quellen – und Verbrauch möglichst optimal aufeinander abgestimmt werden. Aber auch die Elektromobilität könnte durch den Einsatz dieser Technologie noch umweltfreundlicher werden. „Weitere Forschungsanstrengungen sind aber nötig“, sagt Romio.