Magnesium-/Aluminium-Ionen-Batterie Neues Speichermaterial ohne Sicherheitsrisiken

Prof. Dr. Peter Strasser (rechts) mit seinem Doktoranden Toshinari Koketsu beim Zusammenbau von Batterien.
Prof. Dr. Peter Strasser (rechts) mit seinem Doktoranden Toshinari Koketsu beim Zusammenbau von Batterien.

Wegen der Explosionsgefahr bei der Verwendung von Lithium-Ionen-Speichern wird an alternativen Materialien für Batterien und Akkus geforscht. Nun haben Berliner Wissenschaftler Fortschritte mit Magnesium- und Aluminium-Ionen erzielt.

Lithium-Ionen-Batterien und -Akkus sind gerade für die Versorgung portabler Anwendungen sehr gut geeignet. Denn Lithium ist ein sehr reaktives Material, mit dem sich eine hohe Spannung erzeugen lässt. Allerdings liegt in dieser Eigenschaft aber auch eine Gefahr: Die Li-Ionen-Speicher müssen vollkommen luftdicht abgedichtet sein, damit es nicht zu explosiven Zwischenfällen kommt.

»Für kleine portable Anwendungen sind Lithium-Ionen-Batterien heute noch erste Wahl«, erklärt Prof. Dr. Peter Strasser von der TU Berlin. »Aber die Sicherheitsrisiken bei großen Batteriespeichern, wie wir sie für eine Energiewende hin zu regenerativen Energien benötigen, sind enorm.«

Deshalb wird an Alternativen geforscht, die auf den Metallen Magnesium oder Aluminium beruhen. Denn diese Metalle sind preiswerter und können sicherer an Luft gelagert werden, jedoch sind die erzeugbaren Spannungen geringer.

Im Gegensatz zu Lithium-Ionen stellen Magnesium- und Aluminium-Ionen nicht nur eine, sondern zwei bzw. drei positive Ladungen zur Verfügung. Daher ist eine wesentlich dichtere Speicherung von elektrischer Ladung möglich, was vor allem für die Entwicklung großer Batteriespeicher interessant ist.

Reversibel einlagerbare Ionen

Bislang ließen sich die zwei- und dreiwertig geladenen Ionen ließen sehr viel schlechter so in ein Elektrodenmaterial einlagern, dass sie anschließend reversibel zwischen den Elektroden ausgetauscht werden können. Dr. Toshinari Koketsu, einem Mitarbeiter von Prof. Strasser, ist es nun gelungen, solche Ionen reversibel in eine chemisch modifizierte Form des weißen Farbpigments

Titanoxid einzulagern. Das Titanoxid wurde dabei zunächst mit Fluorid-Ionen dotiert. Das bedeutet, dass Fluorid-Ionen in der Gitterstruktur des Titanoxids einen Teil der Sauerstoff-Ionen ersetzen, dabei einige der positiv geladenen Titan-Ionen ausstoßen und auf diese Weise ein Loch oder eine Fehlstelle in dem Gitter produzieren. Diese Fehlstellen haben sich als geeignete Einlagerungsstellen für positiv geladene Magnesium- oder Aluminium-Ionen erwiesen.

In mehreren Versuchsreihen konnten die Wissenschaftler der TU Berlin beweisen, dass die reversible Einlagerung der Aluminium- und Magnesium-Ionen über mehrere hundert Zyklen stabil funktioniert und dabei hohe Ladungskapazitäten zeigt. Fluorid-dotierte Oxidmaterialien mit speziellen Fehlstellen ermöglichen also eine grundlegend neue Batteriechemie mit Magnesium- und Aluminium-Ionen.
 
Damit arbeiten die Forscher an einer Technik von morgen. »Wir werden auch zukünftig noch verschiedene Batterietypen nutzen. Natürlich die Lithium-Ionen-Speicher, aber parallel dazu arbeitet die Wissenschaft an sogenannten Lithium-Schwefel-Batterien, die auch von der Automobilindustrie mit Interesse verfolgt werden«, fügt Prof. Strasser hinzu. »Die Aluminium-/Magnesium-Ionen-Batterie könnte eine Technik für Anwendungen darstellen, die hohe Anforderungen an die Sicherheit stellen.«