Magnesium-Feststoffakku erreicht 1.300 Stunden Laufzeit

Magnesium speichert aufgrund seiner Zweiwertigkeit theoretisch weit mehr Energie als Lithium, zudem ist es besser verfügbar, günstiger und sicherer. Doch bislang führten unkontrollierte chemische Reaktionen an den Materialgrenzflächen dazu, dass jede Zelle binnen kürzester Zeit zerstört wurde. Forscher der Tohoku-Universität lösten dieses Problem nun mittels einer speziellen Magnesium-Zinn-Anode. Diese steuert gezielt die Reaktionen, statt sie zu unterdrücken. Das System überstand im Labor mehr als 1.300 Betriebsstunden ohne nennenswerte Leistungseinbußen. Für die Energiewende bedeutet dieser Ansatz den langersehnten Zugriff auf langlebige, geopolitisch unabhängige stationäre Großspeicher. Wie die Technologie im Detail funktioniert und wo die Hürden liegen, zeigt eine Analyse.

Durchbruch bei Festkörper-Magnesiumbatterien

Grenzflächenproblem bei Magnesium-Festkörperakkus

In der Batterieforschung gelten Festkörperakkus auf Magnesiumbasis als vielversprechende Alternative zu heutigen Lithium-Ionen-Akkus. Neben der enormen Rohstoffverfügbarkeit in der Erdkruste und im Meerwasser bietet Magnesium durch seine Zweiwertigkeit (Mg2+) theoretisch eine fast doppelt so hohe volumetrische Kapazität wie Lithium. Da das Material zudem keine gefährlichen Dendriten bildet, sind diese Speicher inhärent sicher und unbrennbar.

Bislang scheiterte die Kommerzialisierung jedoch an einem fundamentalen Problem der Festkörper-Chemie: den Reaktionen an den Materialgrenzflächen. Sobald die metallische Anode auf den Festelektrolyten trifft, laufen unerwünschte chemische Prozesse ab. Diese reduzieren die Leistung, führen zu progressiver Polarisation und hinterlassen eine dicke, blockierende Passivschicht. Die Folge war bisher eine mechanische Degradation der Anode und das vorzeitige Versagen der gesamten Zelle nach nur wenigen Zyklen.

H2 Mg₂Sn-Legierung als Reaktionspuffer

Ein Forschungsteam der japanischen Tohoku-Universität in Sendai hat diesen mechanischen Schwachpunkt nun über einen unkonventionellen Ansatz gelöst. Statt die Reaktionen an den Grenzflächen unter hohem Aufwand vollständig zu unterdrücken, steuern die Wissenschaftler um Prof. Hao Li die chemischen Prozesse gezielt und nutzen sie produktiv.

Um das für diesen Zweck optimale Material zu finden, nutzte das Team ein automatisiertes Hochdurchsatz-Screening (High-Throughput-Screening). Ein Algorithmus durchsuchte dabei 2.227 binäre Magnesiumphasen und bewertete 596 thermodynamisch stabile Kandidaten. Das Ergebnis dieser datengestützten Selektion war eine gezielte Verbindung aus Magnesium und Zinn: Mg2Sn. Diese Phase wird als Sekundärphase in die Magnesium-Matrix der Anode eingebettet. Mit einer besonders niedrigen Grenzflächen-Bildungsenergie von −0,55 J/m² geht Mg2Sn eine starke, aber kontrollierbare Kopplung mit dem verwendeten MBN-Festelektrolyten ein.

Funktionsweise der Mg2Sn-Anode

Der technologische Durchbruch basiert auf der veränderten Elektrochemie an der Kontaktzone. Durch die Legierung bildet sich beim Laden und Entladen keine blockierende Barriere mehr, sondern eine ultradünne, hochgradig ionenleitende Reaktionszone.

In den Labor-Dauertests überzeugte diese Architektur auf ganzer Linie, denn die modifizierte Anode arbeitete über mehr als 1.300 Stunden elektrochemisch stabil. Es zeigten sich weder ansteigende Überpotenziale noch Ermüdungserscheinungen des Materials. Im Vergleich zu einer Anode aus reinem, unmodifiziertem Magnesium entspricht dies einer mehr als 400-fachen Steigerung der Zyklenlebensdauer.

Grundlagenforschung mit Einschränkungen

Trotz des bemerkenswerten Erfolgs befindet sich die Technologie noch in einem frühen Stadium der Grundlagenforschung. Für eine reale Einschätzung der Marktpotenziale sollte man die Rahmenbedingungen der Studie im Blick behalten.

• Labormaßstab: Die Messungen wurden ausschließlich als Halbzellen in knopfzellentypischen Formaten durchgeführt. Daten zu einer einsatzbereiten Gesamtzelle liegen noch nicht vor.
• Moderate Stromdichte: Die Tests liefen bei einer geringen Stromdichte von rund 0,1 mA/cm². Wie sich das System bei schnellen Lade- und Entladezyklen verhält, ist noch unklar.
• Fehlende Kennzahlen: Die Veröffentlichung in den ACS Energy Letters macht gezielte Aussagen zur Anodenchemie, lässt Parameter wie die finale Energiedichte, das Temperaturfenster oder den Coulomb-Wirkungsgrad des Gesamtsystems jedoch offen.
• Kathoden-Problem: Ein ungelöstes Kernproblem von Magnesium-Akkus bleibt bestehen – es fehlen im Energiesektor weiterhin passende Hochenergie-Kathoden, in denen sich die Magnesium-Ionen schnell genug bewegen können.

Zudem ist das Designprinzip bislang rein auf den spezifischen MBN-Festelektrolyten ausgelegt. Fragen zur industriellen Skalierbarkeit der Legierungsherstellung müssen Forschende künftig klären.

Marktpotenzial für stationäre Großspeicher

Die Ergebnisse der Tohoku-Universität verschieben den Fokus in der Batterieforschung, denn Grenzflächenreaktionen werden nicht mehr ausschließlich als mechanischer Defekt, sondern als funktionelles Werkzeug zur Stabilisierung betrachtet. Da Magnesium im Gegensatz zu kritischen Rohstoffen wie Lithium oder Kobalt reichlich vorhanden, sicher und kostengünstig ist, könnte dieser Ansatz langfristig den Weg für langlebige stationäre Großspeicher ebnen. Für den Einsatz in Elektroautos oder Heimspeichern müssen zunächst die Leistungsdaten einer vollständigen Zelle sowie kompatible Hochenergie-Kathoden erforscht werden. Der Weg bis dahin mag zwar lang sein, doch das Fundament wurde bereits gelegt.

Quellen / Weiterlesen