Forschern ist es offenbar gelungen, flexible Magnesium-Sauerstoff-Batterien mit einer extrem hohen Energiedichte zu entwickeln – und zwar ohne seltene Erden. Sie könnten eine echte Alternative zu Lithium-Akkus darstellen.
Magnesium-Sauerstoff-Batterien (Mg-O2) könnten teure Lithium-Systeme kosteneffizient ersetzen. Denn Magnesium kostet derzeit etwa 2.320 US-Dollar pro Tonne, während bei dem für Batterien notwendigen Lithium (je nach Art) etwa 20.000 bis 25.000 US-Dollar pro Tonne anfallen.
Gleichzeitig liegt die theoretische Energiedichte von Magnesium bei 6.859 Wattstunden pro Liter, während Lithium 5.960 Wattstunden pro Liter erreicht. Forschern gelang es kürzlich, bei Magnesium-Sauerstoff-Batterien bedeutende Fortschritte zu erzielen.
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In der Erdkruste lagern Magnesiummengen von etwa 3,1 x 1020 Kilogramm. Das Metall macht den Betrieb sicher, da es kaum Dendriten bildet. Dabei handelt es sich um winzige Metall-Nadeln, die bei anderen Akkus Kurzschlüsse verursachen. Die neue Technologie nutzt diese Vorteile für eine Energiespeichertechnik ohne Ressourcenknappheit.
Magnesium-Sauerstoff-Batterien: Metallfreie Kathode und Korrosionsschutz
Die metallfreie Kathode besteht aus einem dreidimensionalen Netzwerk aus stickstoffdotiertem Graphen. Mit einer Schichtdicke von etwa 30 Mikrometern übernimmt dieses Bauteil gleichzeitig die Funktion des Stromkollektors. Stickstoff-Atome im Gitter beschleunigen die chemischen Abläufe ohne teure Edelmetalle wie Platin.
Zusätze wie Magnesiumchlorid (MgCl2) sorgen dafür, dass sich die Batterie gut wieder aufladen lässt. Diese Chlorid-Ionen greifen herkömmliche Kathoden aus Edelmetallen jedoch chemisch an. Stickstoffdotiertes Graphen widersteht dieser Korrosion wiederum dauerhaft und ermöglichte im Test 174 Ladezyklen ohne Funktionalitätsverlust.
In flüssigen Testaufbauten nutzt der Speicher ein Gemisch aus Magnesium-bis(trifluormethansulfonyl)imid (Mg(TFSI)2) und Magnesiumchlorid im Lösungsmittel Diglyme. Eine Porosität des Graphen-Netzwerks von bis zu 99 Prozent bietet Platz für das Entladeprodukt Magnesiumoxid (MgO). In dieser Umgebung erreichte die Zelle eine spezifische Kapazität von 20.898 Milliamperestunden pro Gramm.
Der Entladeprozess lagert das Magnesiumoxid direkt in den mikroskopischen Poren des Netzwerks ein. Die Batterie erreicht ihre Kapazitätsgrenze, sobald diese Poren vollständig verstopft sind und keine Gase mehr hindurchlassen. Dieser Verschluss blockiert den notwendigen Transport von Sauerstoff und beendet die chemische Reaktion innerhalb der Zelle.
Feststoff-Technik und Flexibilität
Die All-Solid-State-Variante nutzt einen Gel-Polymer-Elektrolyten (GPE), der auf einer Ionenflüssigkeit basiert. Dieser Feststoff-Elektrolyt besitzt eine ionische Leitfähigkeit von 2,7 Millisiemens pro Zentimeter bei einer Raumtemperatur von 25 Grad Celsius. Er verhindert das Auslaufen von Chemikalien und stabilisiert den Zelltyp gegenüber mechanischen Belastungen.
Die Feststoff-Batterie liefert eine spezifische Kapazität von 17.934 Milliamperestunden pro Gramm. Dank der mechanischen Stärke des Graphen-Netzwerks übersteht der Speicher Biegewinkel von bis zu 120 Grad im Testbetrieb. Der Zelltyp hält während der Entladung eine stabile Spannung von durchschnittlich 1,21 Volt.
Magnesium-Sauerstoff-Technologien ermöglichen Batterien, die ohne seltene Erden auskommen, nicht auslaufen und mechanisch flexibel bleiben. Der Verzicht auf flüssige Elektrolyte und teure Edelmetalle senkt die Materialkosten dauerhaft. Damit bietet die Speichertechnik eine funktionale Basis für langlebige Energiespeicher in der industriellen Anwendung.
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