Magnesium statt Lithium: Neue Batterie verspricht mehr Leistung
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Japanische Forscher entwickeln eine Magnesium-Luft-Batterie mit Graphen-Kathode. Sie ist günstiger, sicherer und leistungsstärker als bisherige Systeme.
Ob Elektroauto oder Stromspeicher im Keller – fast überall stecken heute Lithium-Ionen-Akkus drin. Das Problem: Lithium ist selten, teuer und die Lieferketten sind fragil.
Ein Team der japanischen Universität Tsukuba stellt nun eine Alternative vor, die auf ein weit verbreitetes und günstiges Metall setzt: Magnesium.
Die Forscher haben eine wiederaufladbare Magnesium-Luft-Batterie gebaut, die im Labor bisherige Systeme bei Kapazität, Haltbarkeit und Sicherheit klar hinter sich lässt.
Ihre Ergebnisse erschienen im Fachjournal Chemical Engineering Journal.
Luft als Treibstoff für die Batterie
Das Grundprinzip klingt simpel: Die Batterie bezieht Sauerstoff direkt aus der Umgebungsluft und nutzt ihn als Reaktionspartner an der Kathode – dem Pluspol. Dadurch muss dieses Material nicht im Akku selbst gespeichert werden, was theoretisch sehr hohe Energiedichten ermöglicht.
Bisherige Versuche mit diesem Konzept scheiterten jedoch regelmäßig an einem chemischen Feind: Chloridionen im Elektrolyten griffen die Bauteile an und machten die Batterie nach wenigen Ladezyklen unbrauchbar.
Genau dieses Haltbarkeitsproblem hat das Team um Yoshikazu Ito und Hua-Jun Qiu nun in den Griff bekommen. Statt teurer Platin-Kathoden verwenden die Forscher eine dreidimensionale Struktur aus porösem Graphen, das zusätzlich mit Stickstoffatomen angereichert ist.
Dieses Material hält dem Chlorid-Angriff stand. Gleichzeitig tauschten sie den üblichen flüssigen Elektrolyten gegen ein festes Polymergel aus – was Leckagen von vornherein ausschließt.
Dreimal so viel Kapazität wie mit Platin
Die Laborergebnisse fallen deutlich aus. Der Prototyp mit der neuen Graphen-Kathode speicherte rund 20.900 Milliamperestunden pro Gramm Kathodenmaterial. Eine vergleichbare Batterie mit Platin-Kathode kam nur auf etwa 6.000 – also weniger als ein Drittel.
Auch bei der Lebensdauer zeigte sich ein großer Unterschied: Während die Platin-Variante nach rund 170 Stunden den Dienst quittierte, hielt der neue Prototyp über 730 Stunden durch und absolvierte dabei 174 stabile Ladezyklen.
Warum funktioniert das so gut? Die winzigen Poren im Graphen – jede nur etwa 100 bis 150 Nanometer groß – bieten Platz für die Reaktionsprodukte, die beim Entladen entstehen.
Gleichzeitig sorgt die offene Struktur dafür, dass Sauerstoff und Ionen ungehindert zirkulieren können. Beides zusammen hält die Batterie über viele Zyklen hinweg stabil.
Biegbar und auslaufsicher
Ein besonderer Vorteil des Festkörper-Designs zeigt sich bei mechanischer Belastung. Im Test bogen die Forscher die Batterie um bis zu 120 Grad – ohne dass die Leistung nachließ oder Elektrolyt austrat.
Das macht die Technologie nicht nur für starre Fahrzeugakkus interessant, sondern auch für biegsame Elektronik oder am Körper getragene Geräte.
Magnesium – häufig, günstig und unkritisch
Neben der reinen Leistung spricht auch der Rohstoffbedarf für den neuen Ansatz. Magnesium kommt in der Erdkruste rund tausendmal häufiger vor als Lithium. Eine Tonne kostet etwa 2.320 US-Dollar – ein Bruchteil dessen, was für Lithium oder gar Platin fällig wird.
Für Verbraucher könnte das langfristig günstigere Akkupreise und stabilere Lieferketten bedeuten, unabhängig von wenigen Förderländern.
Trotz der starken Laborwerte ist der Weg in den Alltag noch weit. Die Forscher selbst weisen auf eine Schwachstelle hin: An der Magnesium-Anode bildet sich mit der Zeit eine Schicht, die den Stromfluss zunehmend behindert.
Dieses Problem – in der Fachsprache SEI-Bildung genannt – begrenzt derzeit die Gesamtlebensdauer.
Auch fehlen bislang Angaben zu konkreten Ladezeiten, wie sie für E-Auto-Fahrer an der Schnellladesäule entscheidend wären. Zudem muss die Fertigung erst vom Labormaßstab auf industrielle Mengen skaliert werden.