Magnesium-Luft-Akku könnte Kosten für Energiespeicher senken

Es ist allseits bekannt, dass die Abhängigkeit von Lithium-Ionen-Akkus die Energiewende vor ökonomische Herausforderungen stellt, weil Rohstoffpreise schwanken und Lieferketten oft fragil bleiben. Forscher der japanischen Universität Tsukuba präsentieren nun eine technologische Alternative – eine Magnesium-Luft-Batterie. Durch den Einsatz einer innovativen, dreidimensionalen Graphen-Kathode und eines festen Polymergels als Elektrolyten konnten Probleme wie Korrosion und geringe Lebensdauer deutlich minimiert werden. Da Magnesium weltweit in großen Mengen verfügbar ist, verspricht dieser Ansatz signifikant niedrigere Produktionskosten. Zudem bietet das System eine höhere Sicherheit und Flexibilität, was es für zukünftige stationäre Speicher und mobile Anwendungen gleichermaßen interessant macht.

Überblick: Magnesium-Luft-Batterie aus Japan

Das Prinzip der Magnesium-Luft-Batterie

Das Konzept der Magnesium-Luft-Batterie unterscheidet sich grundlegend von herkömmlichen Akkumulatoren. Während klassische Systeme alle reaktiven Stoffe im Inneren des Gehäuses speichern müssen, beziehen Luft-Batterien den benötigten Sauerstoff direkt aus der Umgebung. Dieser dient an der Kathode (dem Pluspol) als Reaktionspartner. Der Vorteil: Ein Teil des „Treibstoffs“ muss nicht mitgeführt werden, wodurch sich theoretisch sehr hohe Energiedichten erzielen lassen. In der Vergangenheit scheiterten entsprechende Versuche jedoch oft an der chemischen Beständigkeit. Chloridionen im Elektrolyten griffen die Komponenten an, was die Batterien meist nach wenigen Ladezyklen unbrauchbar machte.

3D-Graphen löst das Korrosionsproblem

Das Team um die Wissenschaftler Yoshikazu Ito und Hua-Jun Qiu hat dieses Haltbarkeitsproblem durch ein neues Materialdesign gelöst. Dabei ersetzten die Forscher den flüssigen Elektrolyten durch ein festes Polymergel, was nicht nur Leckagen verhindert, sondern auch die mechanische Stabilität verbessert. Statt kostspieliger Platin-Kathoden verwenden sie zudem eine dreidimensionale Struktur aus porösem Graphen, das mit Stickstoffatomen angereichert ist.

1. Beständigkeit: Das stickstoffdotierte Graphen widersteht dem Angriff der Chloridionen.
2. Reaktionsraum: Die winzigen Poren (100 bis 150 Nanometer) bieten ausreichend Platz für die Reaktionsprodukte, die beim Entladen entstehen, ohne den Fluss von Sauerstoff und Ionen zu behindern.

Laborwerte: Kapazität und Belastbarkeit

Die Ergebnisse der im Chemical Engineering Journal veröffentlichten Studie belegen den Leistungssprung. Der Prototyp erreichte eine Kapazität von rund 20.900 Milliamperestunden pro Gramm (mAh/g) Kathodenmaterial. Für einen besseren Vergleich: Ein baugleiches System mit herkömmlicher Platin-Kathode kam lediglich auf etwa 6.000 mAh/g.

Auch hinsichtlich der Lebensdauer zeigten sich deutliche Fortschritte. Während die Platin-Variante nach 170 Stunden ausfiel, hielt das neue System über 730 Stunden durch und absolvierte 174 stabile Ladezyklen. Ein besonderes Merkmal ist dabei auch die Flexibilität. In Tests ließ sich die Batterie um bis zu 120 Grad biegen, ohne dass die Leistung nachließ oder Elektrolyt austrat. Dies eröffnet Einsatzmöglichkeiten weit über klassische Gehäuseformen hinaus, z.B. in biegsamer Elektronik oder in Wearables (z.B. Smartwatches, Smart Rings, medizinischen Sensor-Patches, smarte Textilien).

Wirtschaftliche Vorteile und Hürden

Neben der technischen Leistung ist vor allem die Rohstoffverfügbarkeit entscheidend, denn Magnesium ist in der Erdkruste etwa tausendmal häufiger vorhanden als Lithium. Mit einem Preis von rund 2.320 US-Dollar pro Tonne ist es zudem um ein Vielfaches günstiger als Lithium oder das oft als Katalysator benötigte Platin. Für die Industrie bedeutet dies letztendlich stabilere Lieferketten und eine geringere Abhängigkeit von einzelnen Förderregionen.

Trotz der positiven Laborwerte ist die Technologie noch nicht reif für den Massenmarkt. Ein zentrales Problem bleibt die Magnesium-Anode, weil dort im Betrieb eine Grenzschicht (SEI-Bildung) entsteht, die den Stromfluss mit der Zeit behindert und die Gesamthaltbarkeit begrenzt. Außerdem müssen Fragen zur Schnellladefähigkeit und zur Skalierung der Fertigung vom Labormaßstab auf industrielle Mengen noch geklärt werden.

Kontext: Der Wettbewerb um den Post-Lithium-Akku

Die Entwicklung aus Japan reiht sich in eine Serie technologischer Innovationen ein, die das Ziel verfolgen, die Abhängigkeit von knappen Rohstoffen zu beenden. Während das Berlin Battery Lab erst kürzlich die Forschung an Natrium-Ionen-Akkus intensivierte und Hersteller wie CATL die Markteinführung von Natrium-Batterien für 2026 planen, könnte Magnesium langfristig eine noch günstigere Materialbasis bieten. Gleichzeitig unterstreicht der Einsatz des Polymergels den Trend zum Festkörper-Design, wie er aktuell auch bei den neuen „Jinshi“-Zellen von Gotion oder den Feststoffakku-Plänen von Geely und Volvo vorangetrieben wird.

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