Optimierung von Magnesium-Schwefel-Batterien durch innovative Materialentwicklung

Die Magnesium-Schwefel-Batterie bietet eine interessante Alternative zu bestehenden Lithium-Ionen-Batterien insbesondere aufgrund der Verwendung von ausreichend verfügbaren und intrinsisch sicheren Materialien.

Für eine breitere Anwendung einer Batterie auf Basis der Magnesium-Schwefel-Technologie in Elektrofahrzeugen oder in stationären Energiespeichern muss jedoch u.a. die Sicherheit großformatiger Zellen, das Zellbetriebsfenster und die Zyklenfestigkeit erhöht sowie die Kosten reduziert werden.

Ziel des Projektes ist die Demonstration der Leistungsfähigkeit einer neuen Energiespeichertechnologie auf der Basis von Magnesium und Schwefel in einer Industrie-kompatiblen Batteriezelle. Dabei soll insbesondere die Speicherkapazität sowie die Zyklenfestigkeit der Magnesium-Schwefel-Batterie in Laborzellen um 100% erhöht werden.

Um die im Rahmen des Gesamtprojektes neu entwickelten Materialien für Magnesium-Schwefel-Batterien elektrochemisch und optisch in Einzelzellen zu charakterisieren, sollen neu entwickelte Laborzellen eingesetzt werden. Diese müssen an die neuen Batteriematerialien (Anoden-, Elektrolyt und Kathodenmaterialien) und die optische Untersuchungsmethode (UV/Vis-Spektroskopie) angepasst werden. Zudem sollen Untersuchungen zur Referenzelektrode, zur Geometrie und zur Kompatibilität zur elektrochemischen Impedanzspektroskopie erfolgen.

Das wirtschaftliche Ziel im Teilprojekt ist, die neuen Labortestzellen nach Projektende zu vermarkten. Potenzielle Kunden sind Forscher, die an Magnesium-Schwefel oder aber auch an anderen Batteriesystemen arbeiten, bei denen mit optischen Untersuchungen oder Impedanzspektroskopie neue Erkenntnisse über Elektroden- oder Elektrolytprozesse gewonnen werden können, die einen Einfluss auf die Batterieperformance ausüben.

Im Rahmen des Teilprojektes sollen zwei Demonstratoren zur Untersuchung der Vorgänge in der Magnesium-Schwefel-Batterie entwickelt werden.

Für die Beobachtung der räumlichen Verteilung der sulfidischen Spezies im Elektrolyten während des Zyklisierens soll eine neue optische Testzelle entwickelt, aufgebaut und in Betrieb genommen werden. Bei dieser optischen Testzelle soll der Elektrolyt nur in den Bereich zwischen den Elektroden gelangen, so dass es möglich wird, die räumliche Verteilung der sulfidischen Spezies ganz analog wie in einer realen Batterie zu beobachten. Zur Realisierung der optischen Testzelle sollen zwei Ansätze verfolgt werden: (i) eine Modifikation/Verbesserung der side-by-side Geometrie und (ii) eine neue Querschnitts-Geometrie („cross section“), die der realen Situation in einer Batterie sehr nahekommt. Die optische Testzelle soll dabei für die Untersuchung mittels UV-Vis-Spektroskopie ausgelegt werden. Die Ergebnisse können u.a. zur Modellierung der Elektrodenprozesse in der Magnesium-Schwefel-Batterie genutzt werden. Der zweite Demonstrator, der im Rahmen des Teilprojektes entwickelt, aufgebaut und in Betrieb genommen werden soll, ist eine 3-Elektrodentestzelle. Diese soll insbesondere (galvanostatische) operando Impedanzmessungen beim Laden und Entladen ermöglichen. Um vorhandene Feldartefakte weiter zu minimieren, sollen alternative Referenzgeometrien und -konzepte zur ringförmigen Magnesium-Referenz entwickelt und getestet werden. Ein Ansatz beinhaltet die Entwicklung einer Dualreferenzelektrode, bestehend aus einer ringförmigen Referenz basierend auf Magnesium zum Messen des absoluten Elektrodenpotentials und einer drahtartigen Referenz zum Messen der sinusförmigen Potentialänderung. Die auf diesem Weg gewonnenen Ergebnisse sind für die Magnesium-Schwefel-Batterie besonders interessant, da sie Auskunft versprechen über die Rolle der im Elektrolyten gelösten Sulfid-Spezies für die Batterieperformance.

Die Entwicklung der Demonstratoren erfolgt in Zusammenarbeit von EL-Cell, dem DLR und dem KIT. Der Aufbau und die Inbetriebnahme der Demonstratoren wird bei EL-Cell erfolgen. Anschließend werden die Demonstratoren den experimentierenden Partnern am DLR, KIT und IPOC zur Evaluierung zur Verfügung gestellt. Die Demonstratoren werden mit den Rückmeldungen der experimentierenden Partner iterativ in enger Abstimmung optimiert. Bedarfsgesteuert wird EL-Cell mit eigenen Messungen konkrete Fragestellungen bei der Präparation der Proben sowie bei der Durchführung der Testmessungen bearbeiten.

Zudem soll die Ausgestaltung der Referenzelektrode in Pouchzellen im Austausch mit dem ISIT erfolgen.

Leistungsstarke, bezahlbare, umweltfreundliche und sichere Batteriesysteme sind eine Schlüsseltechnologie für die Elektromobilität und für die stationäre Energiespeicherung. Aktuell basiert ein Großteil aller elektrochemischen Energiespeicher im Bereich mobiler Anwendungen auf Lithium-Ionen-Batterien. Herausforderungen ergeben sich durch den schwierigen Abbau oder die heikle Herkunft der verwendeten Materialien wie beispielsweise Lithium oder Kobalt.

Die Magnesium-Schwefel-Technologie bietet den Vorteil der Verwendung von ausreichend verfügbaren und intrinsisch sicheren (Magnesium) Materialien. Die Partner arbeiten auf das Ziel hin, die Leistungsfähigkeit einer neuen Energiespeichertechnologie basierend auf Magnesium und Schwefel in einer Industrie-kompatiblen Batteriezelle zu demonstrieren.

Nach dem erfolgreichen Abschluss werden die Projektergebnisse als eigenständige Produkte bei EL-Cell vermarktet werden. Die neu entwickelten Testzellen werden interessierten Unternehmen und Forschungseinrichtungen angeboten werden. Die Anwender der Zellen können damit weitere entscheidende Kenntnisse für die Weiterentwicklung der Magnesium-Schwefel-Batterie oder ähnlichen Technologien gewinnen. Die verbesserten bzw. innovativen Materialien für elektrochemische Sekundärspeicher finden Verwendung in Energiespeichern der Zukunft.