Entwicklung und Herstellung von wieder aufladbaren Magnesium-Schwefel-Batterien

Ziel des Verbundprojektes „Entwicklung und Herstellung von wieder aufladbaren Magnesium-Schwefel-Batterien (MagS)“ ist die Demonstration der Leistungsfähigkeit einer neuen reversiblen Energiespeichertechnologie auf der Basis von Magnesium und Schwefel in einer Industrie-kompatiblen Batteriezelle. 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 und 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 in MagS bewertet.

Durch die Zusammenstellung des Konsortiums sind Institutionen und Unternehmen beteiligt, welche die gesamte Entwicklungskette nahtlos abdecken. Darüber hinaus planen speziell die kleinen und mittelständischen Verbundpartner sowohl Einzelkomponenten der entwickelten Zellen in konstanter Qualität als auch neuartige Testmaterialien für die Magnesium-Schwefel-Zellchemie anzubieten, um einerseits eine nachhaltige Forschung im Bereich neuer Zellchemien zu ermöglichen und andererseits der aktuellen Abwanderung von Batterie-Know-how vom Standort Deutschland entgegenzuwirken.

Trotz der offensichtlichen Vorteile von Mg-Metallbatterien sind bei der Entwicklung von wieder aufladbaren Mg-Batterien noch einige technische Herausforderungen zu lösen, insbesondere neue Elektrolyt- und Kathodenformulierungen. Eine Erhöhung der Sicherheit großformatiger Zellen und eine weitere Reduktion der Kosten sind dabei zentrale Stellhebel für eine breitere Anwendung dieser Technologie im Fahrzeugmarkt und in stationären Anwendungen.

Entsprechend der Zielsetzung ist das Vorhaben ausgesprochen multidisziplinär. Es umfasst chemische, elektrochemische, materialwissenschaftliche, analytische, prozess- und systemtechnische sowie anwendungsorientierte Fragestellungen. Die gute Übertragbarkeit von neuen Entwicklungen, aus dem Labor in das Produktportfolio eines Unternehmens, wird diesem Vorhaben besondere Aufmerksamkeit gewidmet, da der Bereich der reinen Laborentwicklung (DLR und KIT) durch ein Unternehmen (El-Cell) begleitet wird, ebenso wie die angewandte Forschung (Fraunhofer ISIT) durch den Ramp-up-Partner (CCI) begleitet wird. Die Bewertung der Ergebnisse und die Evaluierung der Demonstratoren werden schlussendlich von der anwendenden Industrie (Schaeffler) geleistet.

Der in diesem Vorhaben eingeschlagene Lösungsweg fängt bei Grundlagenuntersuchungen zu Elektrodenmaterialien und Elektrolyten an und endet, nach industrienaher und -kompatibler Herstellung von Pouch-Zellen in definierten Anwendungen. Wie schon im Abschnitt zum Stand der Technik dargelegt wurde, sind bisher in der Literatur wenige Veröffentlichungen zu diesem Thema bekannt. Aufgrund dieser Tatsachen ist ein substanzieller Arbeitsaufwand für Grundlagenuntersuchungen vorgesehen, welche sich mit der Synthese und Charakterisierung von Batteriekomponenten widmen. Der in fünf Arbeitspakete gegliederte Arbeitsplan bildet die verschiedenen Entwicklungsschritte bis zur Herstellung von Pouchzellen und deren Tests sowie das Ineinandergreifen der Beiträge der verschiedenen Partner aus dem Verbundprojekt ab.

In der ersten Phase wird die Entwicklung und Bereitstellung von geeigneten Ausgangsmaterialien und Batteriekomponenten für Labor- und Pouchzellen durchgeführt, welche in dem nächsten Schritt untersucht und grundlegend charakterisiert werden. Die Entwicklungsarbeiten im Labor werden von theoretischen Arbeiten, welche insbesondere die Wechselwirkung des Elektrolyten auf der atomaren Skala sowie die Beschreibung der Vorgänge in der Vollzelle im Mikrometerbereich zum Ziel haben begleitet. Die entwickelten Pouchzellen werden anwenderspezifischen Belastungstests unterzogen, die Entwicklungsergebnisse des Projekts werden abschließend von den beteiligten Industriepartnern bewertet.

Die im Vorhaben durchgeführten Arbeiten zu den Grundlagen von Magnesium-Schwefel-Batterien sind noch in einem vorwettbewerblichen Stadium. Im Vorhaben werden die wissenschaftlichen und fertigungstechnischen Grundlagen für ein vertieftes Verständnis von MgS-Batterien erarbeitet.

Durch die breite Vorgehensweise bei der Auswahl und Synthese von Batteriekomponenten ergeben sich große Chancen, völlig neue Ansätze für eine Realisierung von Metall-Schwefel-Batterien zu ermitteln, die durch Schutzrechte geschützt werden können. Für die Herstellung von Elektroden, Laborzellen und Pouchzellen werden Verfahren genutzt, die in der Lithium-Ionen-Batterietechnik erprobt sind und sich im Erfolgsfall hochskalieren lassen. Dies würde im Erfolgsfall zu einem deutlichen Wettbewerbsvorteil des Standortes Deutschland führen. Die beteiligten Unternehmen verfügen über das nötige Know-how und die Anlagen, um im Anschluss des Projektes vielversprechende Ansätze zu Funktionsmustern zu entwickeln.

Im Erfolgsfall ergeben sich unmittelbare industrielle Verwertungsperspektiven, die durch die Anwesenheit und Beteiligung von Unternehmen und KMU im Vorhaben direkt umgesetzt werden können. Auf diese Weise kann sich ein technologischer Vorsprung für die deutsche Wirtschaft ergeben. Das Unternehmen Custom Cells hat ein Interesse daran, Komponenten der entwickelten Demonstratorzellen (z. B. Anoden- oder Kathodenelektrodenfolien oder das Elektrolytsystem) im Rahmen der CCI-Produktlinie „F&E-Referenzmaterialien“ einem breiten Kundenstamm anzubieten und wird die weitere Skalierung und Verbreitung dieser potenziell sehr leistungsfähigen Technologie auch direkt stark fördern, da CCI das Leistungsprofil der neuen Magnesium-Schwefel-Technologie im Projektergebnis gut abschätzen lernt, um bei Kundenanfragen sehr schnell zu erkennen, ob das Technologieprofil mit dem Anforderungsprofil der Kundenanfragen zur Deckung gebracht werden kann. Da CCI regelmäßig mit extremen Kundenanforderungen konfrontiert ist, wird die Einsetzbarkeit der neuen Technologie in bestimmten Nischen als wahrscheinlich betrachtet. Darüber hinaus wird die weitere Skalierung und Kommerzialisierung der neuartigen Magnesium-Schwefel-Zellen in Anwendungen zusammen mit dem Projektpartner Schaeffler geprüft.