Die Lithium-Ionen-Batterie ist wegen ihrer Eigenschaften derzeit unverzichtbar für den Elektroantrieb in Fahrzeugen. Denn sie lässt sich sehr oft aufladen ohne zu „altern“, hat also eine hohe Zyklenfestigkeit, und besitzt im Vergleich zu anderen Batteriearten eine vergleichsweise hohe Kapazität im Bezug auf Volumen und Gewicht.
Doch diverse Nachteile sorgen dafür, dass die Zukunft der Elektromobilität ohne solche Li-Io-Akkus auskommen muss. Einerseits sind es die benötigten Rohstoffe: Lithium und Kobalt, unverzichtbare Bestandteile der Li-Io-Batterien, werden in Südamerika und Afrika unter teils unmenschlichen Bedingungen und mit gravierender Umweltzerstörung gewonnen. Hinzu kommt die Brandgefahr bei beschädigten Li-Io-Akkus, die bei einem Kurzschluss mit enormen Temperaturen abbrennen und mit konventionellen Mitteln kaum zu löschen sind.
Umweltzerstörung und Kinderarbeit für Lithium-Ionen-Akkus
Weltweit wird daher nach Alternativen zur Lithium-Ionen-Batterietechnik gesucht. Eine der vielversprechendsten ist dabei die Magnesium-Batterie, an der unter anderem am Karlsruher Institut für Technologie geforscht wird. Als ein Vorteil wird gesehen, dass Magnesium als Anodenmaterial eine höhere Energiedichte aufweist.
Bei einer wiederaufladbaren Batterie (Akkumulator) wird beim Aufladen elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt, beim Entladen entsprechend umgekehrt chemische in elektrische Energie. Dabei wandern im Akku die Elektronen von der Anode zur Kathode. Die Lithium-Anode zu ersetzen ist daher das vorrangige Ziel aktueller Forschungen. Zum Einen könnte das für Stationärspeicher, bei denen der Platzbedarf sekundär ist, durch Natrium erfolgen. Für den Einsatz als Energiespeicher von Fahrzeugen ist dagegen Magnesium der Favorit der Wissenschaftler. Beide Elemente sind im Vergleich zu Lithium problemlos in der Gewinnung und in großen Mengen verfügbar.
Magnesiumbatterien sind sicherer
Die Magnesiumbatterie hätte laut den Forschern im Vergleich zu konventionellen Lithium-Ionen-Batterien wesentliche Vorteile: Magnesium als Anodenmaterial ermögliche eine höhere Energiedichte und wäre auch viel sicherer. „Magnesium ist ein vielversprechendes Material und einer der wichtigsten Kandidaten unserer Post-Lithium-Strategie”, so Professor Maximilian Fichtner vom Helmholtz-Institut Ulm (HIU), einem vom KIT mitgegründeten Batterie-Forschungsinstitut.
Ein weiterer Vorteil könnte das geringere Gewicht sein. Bei einem Projekt der University of Houston berichteten die Forscher, sie könnten mit der dort entwickelten Magnesiumbatterie inzwischen eine Speicherkapazität von rund 400 mAh pro Gramm erreichen. Kommerzielle Lithium-Ionen-Batterien würden lediglich 200 mAh/g erreichen, also bei identischer Kapazität doppelt soviel wiegen. Und: Magnesiumbatterien sind im Gegensatz zu Li-Io-Batterien nicht durch Ablagerungen kurzschlussgefährdet und brennen nicht.
Hauptproblem bei der Entwicklung künftiger Magnesiumbatterien ist jedoch ihre Zyklenfestigkeit. “Die besondere Herausforderung bei Magnesiumbatterien ist eine lange Lebensdauer„, sagt Dr. Zhirong Zhao-Karger, die in der Forschungsgruppe Festkörperchemie des HIU die Aktivitäten des neuen Forschungsprojekts koordiniert. Erst wenn dieses Problem durch entsprechend neuentwickelte Techniken und Verfahren beseitigt ist, könnte das Zeitalter der Lithiom-Ionen-Akkus in Elektroautos zu Ende gehen.
