Texas A&M University Magnesium-Ionen schlechter lagern macht Akkus besser

Eine neu gestaltete metastabile Phase aus Vanadiumpentoxid (V2O5) zeigt eine außerordentliche Leistungsfähigkeit als Kathodenmaterial für Magnesiumakkus. Die Grafik vergleicht die konventionellen (rechts) und metastabilen Strukturen von V2O5 (links).
Eine neu gestaltete metastabile Phase aus Vanadiumpentoxid (V2O5) zeigt eine außerordentliche Leistungsfähigkeit als Kathodenmaterial für Magnesiumakkus. Die Grafik vergleicht die konventionellen (rechts) und metastabilen Strukturen von V2O5 (links).

Lithium ist ein knappes und gefährliches Gut. Zudem werden die Akkus immer mehr und größer. Magnesium wäre eine Alternative, doch dieses Material hat andere Herausforderungen. Nun hat die Texas A&M University ein neues Kathodenmaterial gefunden, das die bisherigen Nachteile überwinden soll.

Bereits in den 1990er Jahren wurden Magnesiumakkus vorgeschlagen. Solche Akkus hätten zwei wesentliche Vorteile: Zum einen können Magnesium-Ionen doppelt so viel Ladung wie Lithium-Ionen speichern, nämlich zwei Elektronen pro Ion, zum anderen brennen sie nicht. Laptops oder Smartphones fackeln wegen ihrer Lithium-Ionen-Akkus bekanntermaßen immer wieder ab. Aber durch eine Vielzahl von Herausforderungen – hauptsächlich jedoch fehlte es an einer geeigneten Kathode –, wurden Magnesiumakkus seinerzeit verworfen.

Denn dass Magnesium zwei Elektronen pro Ion speichern kann, ist gleichzeitig auch die größte Herausforderung: Durch die höhere Ladung »kleben« sie viel stärker an umgebenden Atomen. Die Magnesium-Ionen werden »eingefangen«, während sie durch das Kathodenmaterial  wandern. Ihre träge Bewegung machte es bislang so schwierig, brauchbare Magnesiumakkus herzustellen.

»Wir haben die Atome beim Kathodenmaterial Vanadiumpentoxid im Wesentlichen so umkonfiguriert, dass die Magnesium-Ionen auf einem anderen Weg durch dieses wandern müssen«, beschreibt der Forschungsleiter Sabajit Banerjee von der Texas A&M University die Arbeit. »Dadurch entsteht ein Material, in das die Ionen während des Ladens und Entladens leicht rein- bzw. wieder rauswandern können«.

Dieses seltene Phänomen namens Metastabilität erreichen die Forscher dadurch, dass die Magnesium-Ionen per Design auf relativ unbequemen Atompositionen eingelagert werden, basierend der Art und Weise, wie sie das V2O5 herstellen. Diese Metastabilität verhindert, dass die Magnesium-Ionen in dem Material umschlossen werden und die gespeicherte Ladung vollständig »geerntet« werden kann, ohne dass sich das  Material selbst nach vielen Ladezyklen signifikant abbaut.

Justin Andrews, der Erstautor der Arbeit, die in der Zeitschrift Chem erschienen ist, veranschaulicht das Prinzip folgendermaßen: »In manchen Strukturen ist das Magnesium ziemlich »glücklich«, sodass es an spezifischen Stellen sitzen bleibt. In unserem Material ist es aber »frustriert«, wenn es durch das Gitter wandert, weil es auf viele suboptimale Umgebungen trifft. Daher ist es »glücklich«, weiterwandern zu können, sodass sich Kapazität und Diffusion verbessern.«

Andrews glaubt, dass die Forschung des Teams einen wichtigen Wendepunkt auf diesem Gebiet sei. Aber selbst er gibt zu, dass es noch viel mehr zu tun gibt. »Während diese Forschung viele Einsichten geliefert hat, gibt es noch einige andere grundlegende Probleme zu überwinden, bevor Magnesiumakkus Realität werden«, fügt er hinzu. »Dennoch bringt diese Arbeit Magnesiumakkus einen Schritt näher an die Realisierung. Akkus werden günstiger, leichter und sicherer werden, um eine einfachere Anpassung an große Formate zu ermöglichen, wie sie für Elektrofahrzeuge notwendig sind und um Sonnen- und Windenergie zu speichern.«

Originalpublikation: Justin L. Andrews et al., Reversible Mg-Ion Insertion in a Metastable One-Dimensional Polymorph of V2O5, https://doi.org/10.1016/j.chempr.2017.12.018