Magnesium-Batterien könnten Lithium-Ionen-Akkus eines Tages ergänzen. Doch bisher scheiterten sie an einer hartnäckigen Schwachstelle: Die Anode verschleißt zu schnell. Ein internationales Forscherteam hat jetzt aus über 2.200 Materialverbindungen die vielversprechendste Lösung herausgefiltert. Das Ergebnis: Eine Magnesium-Zinn-Anode, die im Labortest über 1.300 Stunden durchhielt und die Leistung bisheriger Ansätze um ein Vielfaches übertrifft.
Magnesium gilt als vielversprechendes Anodenmaterial für künftige Batterien. Das günstige Metall überzeugt durch eine hohe volumetrische Kapazität von 3.833 Milliamperestunden pro Kubikzentimeter und ist reichlich vorhanden. Zudem ermöglicht es unter geeigneten Bedingungen eine Abscheidung ohne kristalline Verästelungen. Trotz dieser Vorteile scheitert die Entwicklung bisher an einer starken Passivierung der Metallanode.
Die Ursache für diesen Verschleiß ist die hohe Reaktivität des Metalls an Grenzflächen. Komponenten des Elektrolyten zersetzen sich spontan auf der Oberfläche und bilden eine isolierende Passivierungsschicht. Diese Schicht behindert den Transport geladener Ionen und verursacht eine fortschreitende Polarisation der Zelle. Bisherige additivbasierte Strategien zeigten meist nur eine begrenzte Stabilität, während nanostrukturierte Architekturen oft schwierig skalierbar zu präparieren sind.
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Magnesiumbatterie: Wie ein Screening von 2.227 Verbindungen den besten Kandidaten fand
Ein Forscherteam um Qian Wang, Hao Li und Yigang Yan nutzte für seine Arbeit einen Ansatz, der rein auf der Auswertung von Daten basiert. Mithilfe von schnellen, automatisierten Computerberechnungen untersuchten die Experten 2.227 verschiedene Verbindungen, die aus Magnesium und jeweils einem weiteren Element bestehen. Daraus filterten sie 596 Kandidaten heraus, die stabil oder fast stabil sind.
Für die anschließenden praktischen Versuche wählten sie fünf typische Elemente aus, die sich gut zum Mischen von Metallen (Legieren) eignen: Calcium, Aluminium, Zinn, Wismut und Lanthan. Die stark giftigen Stoffe Cadmium und Quecksilber wurden von vornherein ausgeschlossen. Die Berechnungen zeigten schließlich, dass eine bestimmte Magnesium-Zinn-Verbindung namens Mg2Sn die vielversprechendste Zusatzstruktur (Sekundärphase) im Material bildet.
1.300 Stunden stabil: Was die Zinn-Magnesium-Anode so überlegen macht
In elektrochemischen Messungen lieferte die veränderte Anode eine Spitzenstromdichte, die das Niveau von reinem Magnesium um mehr als das 440-fache übertraf. Bei einer konstanten Betriebstemperatur von 50 Grad Celsius hielt die Testzelle über 1.300 Stunden lang stabil durch. Dabei blieb die Überspannung konstant auf einem niedrigen Niveau von unter 0,05 Volt.
Andere untersuchte Mischungen mit Calcium, Aluminium oder Lanthan versagten bereits nach rund 60, 180 beziehungsweise 220 Stunden. Aus den Ergebnissen leitete das Team allgemeine Richtlinien für den Bau langlebiger Feststoffbatterien ab. Demnach sollte die Zusatzstruktur ein durchgehendes, stabiles Netzwerk bilden, um die chemischen Reaktionen gleichmäßig im gesamten Material zu verteilen.
Zudem muss die Reaktionsbereitschaft an den Berührungsflächen kontrolliert in Gang gesetzt werden, während gleichzeitig durchgängige Leitungswege aus dem Magnesium-Grundmaterial erhalten bleiben. Diese Prinzipien verknüpfen das energetische Verhalten an den Kontaktflächen, die räumliche Anordnung der Materialstrukturen und die Geschwindigkeit der chemisch-elektrischen Reaktionen, um daraus besonders robuste Batterie-Pole aus Magnesium zu entwickeln.
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