Entwicklung und Herstellung von wieder aufladbaren Magnesium-Schwefel-Batterien

Ziel ist die Erforschung einer neuen Labortestzelle zur Untersuchung der neuen Materialien für die geplante Mg-S-Batterie. Die Mechanismen der Magnesium-Schwefel-Reaktion in einem neuen Elektrolyten sind bisher kaum untersucht, auch Wechselwirkungen der beteiligten Materialien und deren Alterungsverhalten sollen geklärt werden. Vor der Entwicklung von Pouchzellen sind die Materialien zunächst im Labormaßstab zu testen, die Erkenntnisse aus den Messungen mit Labortestzellen fließen direkt in die Entwicklung erster Pouchzellen dieses Typs ein.

Die neue Labortestzelle soll für die elektrochemische Charakterisierung im Projekt entwickelter Materialien verwendet werden und die bisher von den Projektpartnern eingesetzten Eigenkonstruktionen (Swagelok-Zellen) ablösen. Die neu entwickelte Testzelle wird mit Swagelok-Zellen hinsichtlich der Anfangskapazität, Zyklenstabilität, Ladewirkungsgrad, Stabilität des Bezugselektrodenpotentials und Qualität der Drei-Elektroden-Impedanzmessungen verglichen werden.

Das wirtschaftliche Ziel im Teilprojekt ist, die neue Labortestzelle nach Projektende zu vermarkten. Potenzielle Kunden sind Forscher, die an Mg-S und generell Mg-basierten Batteriesystemen arbeiten. Die erfolgreiche Demonstration einer Mg-S-Batterie verspricht verstärkte Forschungsbemühungen auf diesem Feld und also Kunden für die neue Labortestzelle.

Die Arbeitsschwerpunkte des Teilprojektes liegen in der Synthese und Charakterisierung von Anodenmaterialien sowie der Herstellung und der Erprobung von Labortestzellen ausreichender Anzahl für die Untersuchung der neuen Anodenmaterialien.

Für die Synthese und Charakterisierung von Anodenmaterialien wird El-Cell eine geeignete Labortestzelle mit Verbrauchsmaterialien erforschen, produzieren und zur Verfügung stellen. Hierfür sind geeignete Materialien für die Komponenten Referenzelektrode, Testzellenhülse, Separator und Stromsammler auszuwählen und zu vergleichen.

Auf die Verifikation der Produktionsfähigkeit der neuen Batterietestzelle mit den ausgewählten Materialien folgt die Beschaffung der ausgewählten und evaluierten Materialien in den benötigten Mengen und benötigter Qualität.

Die Herstellung und Erprobung der neuen Testzelle beginnt mit der Anpassung der bestehenden Labortestzelle PAT-Cell mit dem Verbrauchsmaterialien PAT-Core für die Untersuchung von Mg-S-Batterien unter Berücksichtigung der ausgewählten Materialien. Anschließend werden Demonstratoren der neuen PAT-Cell mit Verbrauchsmaterial PAT-Core in ausreichender Menge hergestellt sowie eine PAT-Zellenhalterung zum schnellen und kabellosen Messen der neuen Labortestzellen.

Die Entwicklung neuer Speichertechnologien ist eine der großen Herausforderungen unserer Gesellschaft. Momentan basiert ein Großteil aller elektrochemischen Speicher im Bereich mobiler Anwendungen auf konventionellen Lithium-Ionen-Batterien. Allerdings ist Lithium im Vergleich zu dem in diesem Projekt vorgestellten Konzept basierend auf Magnesium in relativ geringem Maße in der Erdkruste zu finden und Materialknappheit zu erwarten.

Die Produktion von Lithium-Ionen Batterien und damit einhergehend die Wertschöpfung aus dieser Technologie findet momentan fast ausschließlich im asiatischen Raum und in den USA statt. Daher ist es von besonderem wirtschaftlichem Interesse bei potenziellen Nachfolgetechnologien für Lithium-Batterien bereits in einem frühen Stadium der Entwicklung eine führende Rolle einzunehmen.

Die Partner arbeiten in allen Arbeitspaketen auf das Ziel hin, die Leistungsfähigkeit einer neuen Energiespeichertechnologie basierend auf Magnesium und Schwefel in einer Industrie-kompatiblen Batteriezelle zu demonstrieren. Dazu ist es erforderlich, materialwissenschaftliche Studien durchzuführen, um die Performance einer im Labormaßstab bereits erfolgreich demonstrierten ersten Vollzelle weiter zu verbessern. Experimentelle Untersuchungen und theoretische Studien sollen wichtige Erkenntnisse zum Mechanismus der kaum untersuchten Magnesium-Schwefel-Reaktion in einem neuartigen Elektrolyten liefern sowie Wechselwirkungen der beteiligten Materialien und deren Alterungsverhalten klären. Die Erkenntnisse fließen direkt in die Entwicklung erster Pouchzellen dieses Typs ein. Hierfür wurde ein spezifiziertes VDA-Format mit einer Dimension von 121 mm · 243 mm · X mm ausgewählt. Die Zellen werden nach anwenderspezifischen Vorgaben getestet und von Industriepartnern im Projekt MagS bewertet.

Dieses Teilprojekt steht in sehr engem Bezug zum Schwerpunktthema der Bekanntmachung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung „Batteriematerialien für zukünftige elektromobile und stationäre Anwendungen (Batterie 2020)“. Diese Ausschreibung des BMBF ordnet die Elektromobilität und stationäre Anwendungen von Batterien (Energiewende) als zentrales Thema für Deutschland ein. Das Teilvorhaben ist in einen Forschungsverbund zwischen Hochschulen, außeruniversitären Forschungseinrichtungen und Unternehmen mit Beiträgen kleiner und mittelständischer Unternehmen (KMU) eingebunden. Der Schwerpunkt liegt auf Materialien zukünftiger Batteriesysteme, konkret dem Magnesium-Schwefel-System (Mg-S). Diesem wird ein hohes Potenzial für einen künftigen Einsatz bei der mobilen und stationären Energiespeicherung prognostiziert.