Neuer Ansatz kann die Lebensdauer von Batterien deutlich erhöhen

Forscher der japanischen Tohoku University haben einen neuen Ansatz entwickelt, der die Lebensdauer von Festkörper-Magnesiumbatterien deutlich verlängern könnte. Das Konzept soll auch andere Akku-Technologien deutlich langlebiger machen.

Steuern statt verhindern

Festkörper-Magnesiumbatterien gelten als vielversprechende Alternative zu heutigen Lithium-Ionen-Akkus. Sie versprechen mehr Sicherheit, da sie auf brennbare flüssige Elektrolyte verzichten, und könnten zudem kostengünstigere Rohstoffe nutzen. Allerdings wird ihre Entwicklung bislang durch unerwünschte Reaktionen an den Kontaktflächen zwischen den einzelnen Batteriebestandteilen gebremst. Diese führen häufig zu Leistungsverlusten und verkürzen die Lebensdauer der Energiespeicher.

Das Forschungsteam um Professor Hao Li verfolgte nun einen neuen Ansatz, um das Problem in den Griff zu bekommen, wie aus dem in ACS Energy Letters veröffentlichten Paper hervorgeht. Anstatt die Grenzflächenreaktionen vollständig zu vermeiden, untersuchten die Wissenschaftler, wie sich diese kontrollieren und für die Batteriefunktion nutzbar machen lassen. Dazu entwickelten sie eine Anode aus einer Magnesium-Zinn-Legierung (Mg-Sn), deren Struktur gezielt angepasst wurde.


Durch die Zugabe von Zinn entsteht die stabile Verbindung Mg₂Sn. Sie hilft dabei, die chemischen Prozesse innerhalb der Batterie zu regulieren und sorgt gleichzeitig für einen gleichmäßigeren Transport von Magnesium-Ionen. Nach Angaben der Forscher verbessert dies sowohl die Stabilität der Grenzflächen als auch das Lade- und Entladeverhalten.

Für die Studie wurden mehrere magnesiumbasierte Legierungen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen getestet. Die Wissenschaftler analysierten unter realistischen Betriebsbedingungen unter anderem die Leitfähigkeit für Ionen, die Stabilität der Materialgrenzen sowie das Verhalten bei wiederholten Ladezyklen.

Auch für andere Akku-Technologien

Die optimierte Magnesium-Zinn-Legierung erzielte dabei die besten Ergebnisse. In Tests arbeitete die Batterie mehr als 1300 Stunden lang stabil. Die Zyklenfestigkeit lag laut den Forschern mehr als 400-mal höher als bei einer Anode aus reinem Magnesium. Dies deutet auf erhebliche Fortschritte bei der Haltbarkeit zukünftiger Batteriesysteme hin.

Die Forscher sehen in ihrer Arbeit nicht nur einen Durchbruch für Magnesiumbatterien. Das Konzept, chemische Reaktionen an Materialgrenzen gezielt zu steuern statt zu verhindern, könnte auch bei anderen Batterietechnologien Anwendung finden. Angesichts des wachsenden Bedarfs an sicheren und langlebigen Energiespeichern eröffnet der Ansatz neue Perspektiven für die Entwicklung der nächsten Batteriegeneration.


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