Kathodenmaterialien für Magnesiumbatterien – Mg-Granate
Doktorand: Benjamin Zimmermann
Neben der Produktion von erneuerbarer Energie spielt deren effiziente Speicherung ebenfalls eine wichtige Rolle. Da die Produktion erneuerbarer Energie häufig an Tageszeiten oder bestimmte Wetterlagen gekoppelt ist, müssen Produktions- und Abnahmespitzen effektiv abgefedert werden. Die häufigste Form der Energiespeicherung im Alltag ist die Lithiumionenbatterie. Sie bieten eine hohe Energiespeicherdichte, hohe Arbeitsspannungen und eine lange Lebensdauer. Ihre Nachteile sind jedoch hohe Kosten, problematische Sicherheitsaspekte durch die Verwendung brennbarer Elektrolyte und die zunehmend ungedeckte Nachfrage nach Lithium. Es gibt weiterhin Stimmen, die in heutigen Lithiumionenbatterien keine großen Effizienzsprünge mehr für möglich halten.[1] Alternativen, welche in den letzten Jahren in den Fokus geraten sind, umfassen, unter anderem, Magnesiumbatterien. Die Vorteile dieser Batterien sind zum einen der Einsatz von elementarem Magnesium als Anode. Magnesium bildet, im Gegensatz zu elementarem Lithium, keine Dendriten aus, wodurch die Sicherheit der Batterien erhöht wird. Dies ermöglicht auch deutlich größere Energiedichten (3833 mAh cm-3 vs. 2046 mAh cm-3 für Li).[2] Weiterhin ist Magnesium auch unproblematisch für die Umwelt. Der Grund, warum Magnesiumbatterien bisher nicht großflächig eingesetzt werden, ist die mangelhafte Reversibilität der ablaufenden Reaktionen innerhalb der Batterie. Durch den kleinen Ionenradius von Mg2+ in Kombination mit hoher Ladung wirken starke Coulomb-Kräfte, welche die Aktivierungsbarrieren vergrößern.
In diesem Kontext soll, im Rahmen eines Projekts des POLiS Exzellenzclusters (KIT, JLU, ZSW, Universität Ulm), ein neues Kathodenmaterial entwickelt werden. Vielversprechende Kandidaten sind Magnesium-Granate, welche zur Gruppe der Inselsilicate zählen. Sie bieten eine hohe strukturelle Stabilität mit kleiner Volumenänderung während den Reaktionen in der Batterie und eine niedrige Aktivierungsbarriere für die Migration von Mg2+ Ionen.[3] Ihre hochsymmetrische Kristallstruktur (la3d) ermöglicht isotrope Materialeigenschaften, welche die Diffusionsprozesse im 3D-Netzwerk unterstützen. Die Granatstruktur erlaubt durch ihre Flexibilität auch den Einbau unterschiedlichster Elemente, wodurch Eigenschaften gezielt manipuliert werden können.[4]
Der Fokus in diesem Projekt liegt im Testen verschiedener Synthesestrategien, etwa Festphasensynthese, Sol-Gel oder Heißpressen. Im Zweiten Schritt sollen die Eigenschaften mittel Röntgenbeugung, Elektronenmikroskope und Röntgenphotoelektronenspektroskopie aufgeklärt werden.
Quellen:
[1] T. L. Kulova et al., Int. J. Electrochem. Sci., 2020, 15, 7242 – 7259.
[2] M. Walter et al., New J. Chem., 2020, 44, 1677-1683.
[3] E. G. Ahn et al., ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13, 47749-47755.
[4] C. A. Geiger, Elements, 2013, 9, 447-452.
Dieses Projekt wird über die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) durch das POLiS Exzellenzcluster (EXC 2154) gefördert.
