Energie nachhaltiger speichern: Magnesium statt Lithium als Material für Batterien

07.01.2019 – Energiespeicher sind ein entscheidender Baustein für das Gelingen der Energiewende: Möglichst nachhaltige Technologien zur Speicherung regenerativ erzeugter Energie sind dabei gefragt. Lithium gehört zu den seltenen Metallen und ist bislang das Material der Wahl für den Bau von Batterien. Das leichte Metall ist der Hauptbestandteil in Lithium-Ionen-Batterien – sei es im Smartphone bis hin zum Elektroauto. Der weltweite Kampf um den begehrten Rohstoff läuft, die Abbaumethoden sind größtenteils umweltschädlich.

Nach Alternativen wird daher gesucht und Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) sind fündig geworden: Als Element ist Magnesium auf der Erde etwa 3.000 Mal so häufig vertreten wie Lithium und kann im „Eine breite Verfügbarkeit von Magnesiumbatterien könnte die Elektrifizierung von Mobilität und den Ausbau dezentraler Heimspeicher entscheidend voranbringen.“Gegensatz dazu einfacher recycelt werden. Der bekannte Stoff hätte gleich mehrere Vorteile: Der Einstieg in die Magnesiumtechnologie bei der Batteriefertigung könnte nicht nur dabei helfen, die Abhängigkeit von Lithium als Rohstoff zu verringern, so hoffen die Forscher – Batterien mit Magnesium wären zudem leistungsfähiger, günstiger und sicherer als Lithium-Ionen-Batterien. Denn Magnesium als Anodenmaterial ermögliche eine höhere Energiedichte und wäre auch viel sicherer, so zeigen erste Forschungsergebnisse.

„Magnesium ist ein vielversprechendes Material und einer der wichtigsten Kandidaten unserer Post-Lithium-Strategie“, sagt Professor Maximilian Fichtner, stellvertretender 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.“

Die neuartigen Magnesium-Batterien sollen nun im Forschungsprojekt E-MAGIC entwickelt werden. Vor allem an der Langlebigkeit der neuartigen Magnesium-Batterien wird nun intensiv geforscht. „Die besondere Herausforderung bei Magnesiumbatterien ist eine lange Lebensdauer“, erläutert Zhirong Zhao-Karger, die in der Forschungsgruppe Festkörperchemie des HIU die Aktivitäten des neuen Forschungsprojekts koordiniert. Doch es gebe eben etliche positive Eigenschaften des neuen Batteriematerials, die man nutzen wolle. So bilden sich etwa an den Magnesium-Anoden keine Dendrite. Das habe gegenüber Lithium-Ionen-Batterien einen entscheidenden Vorteil, erläutern die Wissenschaftler: Denn 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“, so Zhao-Karger. Das steigere die Leistungsfähigkeit der Batterie.

Angesichts dieser Vorteile wären Magnesiumbatterien auch günstiger als Lithium-Ionen-Batterien. Für Europa sehen die Forscher eine entscheidende Chance, wenn sie denn bei der Entwicklung zügig vorankommen würden: Dann könnten Magnesiumbatterien dabei helfen, die Dominanz der asiatischen Produzenten von Batteriezellen zu verringern – und endlich eine konkurrenzfähige Batteriefertigung auch in Europa zu etablieren, raten die Forscher. na