Aufbruch ins Post-Lithium-Zeitalter

Leistungsfähiger, günstiger und sicherer als Lithium-Ionen-Batterien: Das erhoffen sich Wissen­schaft­lerinnen und Wissen­schaftler des Karlsruher Instituts für Techno­logie sowie ihre Koope­rations­partner von neuartigen Magnesium-Batterien, die sie im Forschungs­projekt E-MAGIC entwickeln wollen. Das von der Europäischen Union mit über 6,5 Millionen Euro finanzierte Forschungs­projekt bündelt relevante Aktivitäten verschiedener europäischer Wissenschaftsinstitutionen.

Eine Magnesiumbatterie hätte im Vergleich zu konventionellen Lithium-Ionen-Batterien entscheidende Vorzüge: Magnesium als Anodenmaterial ermöglicht eine höhere Energie­dichte und wäre auch viel sicherer. „Magnesium ist ein vielver­sprechendes Material und einer der wichtigsten Kandidaten unserer Post-Lithium-Strategie“, sagt 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.“ 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 E-MAGIC 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 Wissenschaft­lerinnen und 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. „Die besondere Heraus­forderung bei Magnesium­batterien ist eine lange Lebensdauer“, erklärt Dr. Zhirong Zhao-Karger, die in der Forschungs­gruppe Festkörper­chemie des HIU die Aktivitäten des neuen Forschungsprojekts koordiniert. Doch es gibt 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“, so Zhao-Karger.

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 dreitausend 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. (Quelle: KIT)

Links: Forschungsprojekt European Magnesium Interactive Battery Community (E-MAGIC), Cordis • Helmholtz-Institut Ulm (HIU) • KIT-Zentrum Energie, Karlsruher Institut für Technologie

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