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Durchbruch bei Magnesium-Akkus?

29. August 2017, 09:36 Uhr   |  Ralf Higgelke

Durchbruch bei Magnesium-Akkus?
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Magnesium-Akkus können im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Akkus weder brennen noch explodieren. Aber ihre Fähigkeit, Energie zu speichern, ist begrenzt. Durch ein neues Kathodendesign konnten Forscher der Universität Houston eine Energiedichte von 400 mAh/g erreichen. Li-Ion-Akkus liegen bei 200 mAh/g.

Forscher der Universität Houston um Assistenzprofessor Yan Yao und Postdoktorand Hyun Deog Yoo und berichteten am 24. August in der Zeitschrift Nature Communications, ein neuen Designs für die Akkukathode gefunden zu haben, welche die Speicherkapazität drastisch erhöht und die bisherige Erkenntnis auf den Kopf stellt, dass die Magnesiumchlorid-Bindung aufgebrochen werden muss, bevor Magnesium in das Wirtsmaterial einfügt wird.

»Magnesium-Ionen lassen sich bekanntlich nur schwer in ein Wirtsmaterial einfügen«, meinte Yoo, Erstautor der Arbeit. »Zunächst einmal ist es sehr schwierig, die Magnesiumchlorid-Bindungen aufzubrechen. Zudem bewegen sich auf diese Weise erzeugte Magnesium-Ionen sehr langsam im Wirtsmaterial. Zusammengenommen reduziert dies die Effizienz des Akkus.« Die neue Batterie speichert Energie durch Einfügen von Magnesiummonochlorid (MgCl-) in ein Wirtsmaterial wie Titandisulfid (TiS2). Durch Beibehalten der Magnesiumchlorid-Bindung, so Yao, zeige die Kathode viel schneller Diffusion als herkömmliche Magnesium-Versionen.

Die Forscher berichten, dass der neue Akku eine Speicherkapazität von 400 mAh/g aufweist, verglichen mit 100 mAh/g für frühere Magnesiumakkus. Kommerzielle Lithium-Ionen-Batterien haben eine Kathodenkapazität von etwa 200 mAh/g, so Yao. Mit etwa einem Volt liegt die Spannung des neuen Akkus recht niedrig, verglichen mit den drei bis vier Volt für Lithium-Akkus.

Die relativ hohe Spannung, gekoppelt mit ihrer hohen Energiedichte hat Lithium-Ionen-Akkus zum Standard gemacht. Aber Lithium ist teuer, und es kann in seiner internen Struktur verletzt werden, was als Dendritenwachstum bekannt ist. Dies kann dazu führen, dass die Akkus Feuer fangen. Als eine weltweit reichlich vorhandene Ressource ist Magnesium billiger und bildet keine Dendriten.

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Dieses Schema zeigt die strukturelle Entwicklung von Titandisulfid in verschiedenen Stadien der Interkalation. Die Zwischenschicht wird erweitert oder verzerrt, indem unterschiedliche Mengen an Stützmolekülen, komplexen Kationen und Lösungsmitteln in die van-der-Waals-Lücke eines Wirtsmaterials eingelagert werden.

Aufweiten von Titandisulfid als Schlüssel

Der Schlüssel, so Yoo, besteht darin, das Titandisulfid aufzuweiten, um Magnesiumchlorid einzubringen, anstatt die Magnesiumchlorid-Bindungen aufzubrechen und metallisches Magnesium allein einzulagern. Dieses vierstufige Verfahren nennt sich Interkalation (Einlagerung). Die MgCl--Bindung beizubehalten verdoppelte die Ladung, welche die Kathode speichern kann.

Die MgCl--Moleküle sind zu groß, um unter Verwendung herkömmlicher Verfahren in das TiS2 eingebracht zu werden. Aufbauend auf ihrer früheren Arbeit schufen die Forscher eine offene Nanostruktur, indem sie die Lücken im Titandisulfid um 300 Prozent erweitern, indem sie organische »Säulen« benutzten. Die Öffnungen waren immer noch klein, statt 0,57 nm nun 1,8 nm, aber ausreichend, um das Magnesiumchlorid einzulagern.

»Wir hoffen, dass dies eine allgemeine Strategie ist«, sagte Yoo. »Wenn wir verschiedene polyatomare Ionen in Wirtsmaterialien mit höherer Spannung einlagern können, streben wir an, Akkus mit höherer Energiedichte zu einem niedrigeren Preis zu schaffen, besonders für Elektrofahrzeuge.«

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