Entwicklung und Herstellung von wieder aufladbaren Magnesium-Schwefel-Batterien

Die Verfügbarkeit leistungsstarker, bezahlbarer, umweltfreundlicher und sicherer Batteriesysteme ist eine Schlüsseltechnologie für die Elektromobilität und für die stationäre Energiespeicherung. Magnesium-(Mg-)Metall besitzt eine volumetrische Kapazität von 3.832 mAh/Kubikzentimeter und kann als sichere Metallanode genutzt werden, da Mg keine gefährlichen Dendrite bei der elektrochemischen Abscheidung bildet. Die Kombination von Mg-Anoden mit einer Schwefel-(S-)Kathode stellt wegen seiner sehr hohen theoretischen Energiedichte von 3.220 Wh/L und den günstigen und nachhaltigen Elektrodenmaterialien wie Mg und Schwefel eine besonders attraktive Paarung dar. Mit dem Forschungsverbund zwischen Hochschulen, Forschungseinrichtungen und Unternehmen besteht das Gesamtziel des MagS-Projekts in der Erforschung und Validierung einer neuen Energiespeichertechnologie auf der Basis von Magnesium und Schwefel und darin, die Leistungsfähigkeit der neuen Mg-S-Batterie in einer Industrie-kompatiblen Batteriezelle zu demonstrieren.

Trotz der offensichtlichen Vorteile der Mg-Metall- und Mg-S-Batterie sind bei der Entwicklung von wieder aufladbaren Mg-Batterien noch einige technische Herausforderungen im Bereich neuer Elektrolyte und Elektrodenmaterialien zu bewältigen. Die bisherigen Elektrolyte basieren in der Regel auf sogenannten Grignard-Verbindungen, welche chemisch aggressiv sind und den Schwefel bei Kontakt unwirksam machen. Dadurch können diese nicht in Magnesium-Schwefel-Batterien verwendet werden. Zusätzlich sind sie chlorhaltig und korrosiv gegenüber herkömmlichen Batteriebauteilen. Deshalb ist es notwendig, Elektrolyte mit besserer Kompatibilität und Leistungsfähigkeit zu entwickeln.

Das Ziel von KIT-HIU im Projekt ist die Weiterentwicklung und Optimierung der Eigenschaften neuartiger Elektrolyte und der Anode hinsichtlich Leistungsdichte, Energieinhalt und Lebensdauer der Magnesium-Schwefel-Zelle. Dabei werden die Wechselwirkung der Batteriekomponenten mit dem Elektrolyten und die mechanischen Vorgänge beim Be- und Entladen, insbesondere kinetische Hemmnissen, in der Mg-S-Zelle untersucht.

Die zuerst entwickelten auf Mg-bishexamethyldisilazid basierenden Elektrolyte besitzen bereits die erforderlichen Eigenschaften, um mit einer Schwefelkathode stabil zu arbeiten. In der ersten Phase des Projekts wurde das Elektrolytsystem weiterentwickelt und Zusätze sowie Lösungsmittel variiert, um insbesondere das Ausbluten der Schwefelkathode durch die Bildung von Polysulfiden zu vermindern, die Überspannung beim Laden zu verringern und damit eine höhere reversible Kapazität der Batterien zu erreichen.

Um einen chlorfreien, nichtkorrosiven Elektrolyten zu erhalten, wurde bisher eine neue Klasse von fluorierten Alkoxyborat-Magnesiumsalzen entwickelt. Durch die Kombination der sogenannten schwachkoordinierenden Anionen (weakly coordinating anions, kurz WCA) mit den Magnesiumkationen ist die Wechselwirkung zwischen Anionen und Kationen verringert. Dadurch bewegen sich die freien, zweifach positiv geladenen Mg-Ionen gut in der Lösung und können damit als Elektrolyte dienen.

Sie können über eine einfache Reaktion von Magnesiumborohydrid und verschiedenen fluorierten Alkoholen in ätherischen Lösungsmitteln hergestellt werden. Mit einem gasförmigen Nebenprodukt ist das Herstellungsverfahren des ionischen Leitsalzes sehr robust und preisgünstig, was für die praktische Scale-up-Anwendung vorteilhaft ist.

Diese auf ionischem Leitsalz basierenden neuartigen Elektrolyte zeigen eine elektrochemische Stabilität von >3,6 V und eine Coulomb-Effizienz von 95 Prozent für die Mg-Abscheidung. Sie sind für Hochvoltkathoden geeignet und ermöglichen den Einsatz in Batterien mit hoher Speicherkapazität und Leistungsdichte. Dadurch, dass die Elektrolyte chlorfrei sind, verhalten sie sich den Batteriebauteilen gegenüber nicht korrosiv.

Die Wertschöpfungskette wird im Projekt in ihrer gesamten Breite erfasst – von der grundlagenorientierten Materialebene, über die Anforderungen aus Anwendersicht bis zur Realisierung einer Demonstrationszelle. Die gute Übertragbarkeit von neuen Entwicklungen aus dem Labor in das Produktportfolio eines Unternehmens kann bereits während früher Entwicklungsphasen maßgeblich, positiv beeinflusst werden, indem sich die anwendungsorientierte Forschung und Entwicklung als Bindeglied zwischen der reinen Forschung und Entwicklung einerseits und den vermarktenden Unternehmen anderseits einbringt und die drei Bereiche von Unternehmen begleitet werden.

Die Kompatibilität der Elektrolyte mit einer Schwefel-Kathode ermöglicht es, eine Mg-S-Zelle zu bauen. Die erste Mg-S-Vollzelle wurde erfolgreich mit den Laborzellen getestet und eine stabile spezifische Kapazität von 500 mAh pro Gramm über 30 Zyklen erreicht. Eine Erhöhung der Sicherheit großformatiger Zellen und eine weitere Reduktion der Kosten sind dabei zentrale Faktoren für eine breitere Anwendung dieser Technologie auch im Fahrzeugmarkt. Die neuartigen Elektrolyte und optimierten Anodenmaterialien wurden den Projektpartnern angeboten, damit diese die industrierelevanten Tests der Pouchzellen nach anwenderspezifischen Vorgaben durchführen. Die Bewertung der Ergebnisse und die Evaluierung der Demonstratoren werden schlussendlich von der anwendenden Industrie (Schaeffler) geleistet.