Entwicklung und Herstellung von wieder aufladbaren Magnesium-Schwefel-Batterien

Die Lithium-Ionen-Technologie ist derzeit die am besten geeignete, verfügbare Zelltechnologie zur Realisierung der Elektromobilität. Um aber als echte Alternative zum Verbrennungsmotor akzeptiert zu werden, müssen die Energiedichte und die Sicherheit der Zellen verbessert sowie die Herstellungskosten gesenkt werden. Eine Möglichkeit diese Ziele zu erreichen, besteht darin, die Aktivmaterialien der Lithium-Ionen-Technologie durch günstigere Komponenten mit höherer Speicherkapazität zu ersetzen.

Magnesium als Anodenmaterial bietet hier wesentliche Vorteile: Ein negatives Potential (-2,356 V vs. NHE) und eine hohe spezifische Kapazität (2.205 mAh/g und 3.832 mAh/Kubikzentimeter) in Verbindung mit vergleichsweise geringen Materialkosten machen Magnesium zu einer nachhaltigen und ökonomischen Alternative zu Lithium. Die Kombination einer Magnesium-Anode mit einer Schwefel-Kathode führen zu Hochenergiezellen mit einer theoretischen Energiediche von rund 4.000 Wh/L.

Die wesentlichen Aspekte der Zellfertigung in einer produktionstechnisch nahen Umgebung werden in dem MagS-Teilprojekt „Zellherstellung“ am Fraunhofer Institut für Siliziumtechnologie (ISIT) erforscht. Es soll gezeigt werden, dass die für eine Mg-S-Zelle nötigen neuartigen Materialen in einer auf die Fertigung von Lithium-Ionen-Zellen (LIB) ausgelegte Produktionsumgebung zu Elektroden und funktionstüchtigen Vollzellen verarbeitet werden können. Dabei soll auch ausgelotet werden, wie und in welchen Umfang Modifikationen der LIB-Produktionsumgebung für eine ökonomische und nachhaltige Herstellung von Mg-S-Zellen notwendig sind. Nach erfolgreicher elektrochemischer Validierung der so hergestellten Zellen werden die am ISIT gewonnenen Ergebnisse direkt zum Aufbau von Mg-S-Pouchzellen-Demonstratoren im VDA-Standardzellenformat für HEV-Anwendungen verwendet.

Ziel des Teilprojektes „Zellherstellung“ ist die Erforschung der Verarbeitungsmöglichkeiten der, durch die Projektpartner hergestellten, neuen Materialien zu Elektroden und im Anschluss daran zu Vollzellen.

Sowohl die Herstellung der Elektroden als auch die Zellfertigung sollen in der ISIT-Pilotanlagenumgebung bewerkstelligt werden. Daher müssen die bei den Partnern entwickelten (Elektroden-)Herstellungsprozesse auf die ISIT-Pilotfertigung übertragen und angepasst werden.

An signifikanten Punkten werden die einzelnen Prozessschritte durch physikalische und elektrochemische Verfahren überprüft und ggf. die Prozesse iterativ optimiert.

Die Verfügbarkeit leistungsfähiger sekundärer Batterien gilt heute als eine der Schlüsseltechnologien für die Elektrifizierung des Antriebsstranges in Fahrzeugen und im zunehmenden Maße auch beim Ausbau der Speicher, die für die effiziente Nutzung regenerativer Energien notwendig sind. Es ist deshalb von großer Bedeutung, dass die deutsche Industrie in diesen Bereichen im weltweiten Wettbewerb gut aufgestellt ist, damit in näherer Zukunft Deutschland für die batterieproduzierende Industrie sowie deren Zulieferer ein aussichtsreiches neues Feld bieten kann.

Vor diesem Hintergrund ist neben dem Aufbau eines dafür notwendigen industriellen Umfeldes auch die Etablierung einer entsprechenden Forschungs- und Entwicklungsinfrastruktur erforderlich, da hieraus neben der wissenschaftlichen Tätigkeit auch zukunftsorientierte Innovationen sowie dringend gesuchter qualifizierter Nachwuchs für die Unternehmen erwächst. Bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien steht Deutschland in einem extrem ungleichen Wettbewerb mit asiatischen und US-amerikanischen Akteuren. Neue Zelltechnologien bieten daher gute Voraussetzungen, der Batterietechnologie in Deutschland einen dringend notwendigen Impuls zu geben.

Im Rahmen des Projekts leistet das ISIT Forschungsarbeiten im Bereich der Elektrodenentwicklung und des Zellbaus. Es werden Forschungsergebnisse erarbeitet, die das verwertbare Leistungsspektrum des ISIT vergrößern und für zukünftige Kooperationen mit unterschiedlichen Partnern zur Verfügung stehen.

Ein wesentlicher Aspekt dieses Verbundprojekts besteht darin, die wissenschaftliche und technische Voraussetzungen zu schaffen, um an der Spitze der Batterie-Forschung mitzuwirken und weiterführende Impulse für zukünftige Forschungsaktivitäten auf diesem Gebiet zu geben. Nicht zuletzt wird das technische Know-how des ISIT in bilateralen Projekten mit Industriepartnern sowie mittelständischen Unternehmen genutzt. Durch die Mitwirkung des ISIT in Fraunhofer-Verbünden „Allianz Energie“ und „Allianz Batterie“ bieten sich für die wissenschaftlich-technische Anwendung der Projektergebnisse gute Voraussetzungen. Des Weiteren ist die öffentliche Darstellung ein wichtiges Mittel für die erfolgreiche Nutzung der Projektergebnisse.