Quasi-Festkörper-Magnesium-Ionen-Batterie erreicht eine Energiedichte von 264 Wattstunden pro Kilogramm

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von pv magazine global

Magnesium-Ionen-Batterien bieten eine sichere und kostengünstige Alternative mit hoher Energiedichte zu den derzeitigen Lithium-Ionen-Batterien. Ihr Weg zur Kommerzialisierung ist jedoch mit Herausforderungen gepflastert, darunter befinden sich zum Beispiel die begrenzten elektrochemischem Möglichkeiten in wässrigen Systemen und die schlechte ionische Leitfähigkeit in nicht-wässrigen Systemen zu überwinden.

Nun hat ein Forschungsteam des Fachbereichs Maschinenbau der Universität Hongkong (HKU) eine Quasi-Festkörper-Magnesium-Ionen-Batterie entwickelt, die ein Spannungsplateau bei 2,4 Volt und eine Energiedichte von 264 Wattstunden pro Kilogramm aufweist und damit die Leistung aktueller Magnesium-Ionen-Batterien übertrifft und fast die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien erreicht.

Zuvor hatte dasselbe Forscherteam eine Wasser-in-Salz-Magnesium-Ionen-Batterie mit einer Betriebsspannung von über zwei Volt entwickelt, die jedoch mehr Protonen- statt Magnesium-Ionen in der Kathode speicherte und somit in ihrer Leistungsfähigkeit noch hinter den nicht-wässrigen Pendants zurückblieb.

„Wasserstoff-Ionen oder Protonen sind im Vergleich zu den Metall-Ionen kleiner und leichter“, sagt Sarah Leong, HKU-Forscherin und Erstautorin der Studie. „Aufgrund ihrer Größe können Protonen leicht in die Kathodenstruktur der Batterie gelangen. Dies führt jedoch zu einem Problem, da Protonen und Magnesium-Ionen um den Platz konkurrieren, was die Speicherkapazität und die Lebensdauer der Batterie stark einschränkt.“

Die Forscher haben das frühere Design verbessert, indem sie einen polymerverstärkten Elektrolyten einführten, um die Konkurrenz zwischen Protonen und Metall-Ionen zu kontrollieren und das Netzwerk von Wasserstoffverbindungen einzuschränken.

„Dies ist eine bahnbrechende Entwicklung“, sagte HKU-Professor Dennis Leung. „Unsere Quasi-Festkörper-Magnesium-Ionen-Batterie vereint das Beste aus beiden Welten: Sie bietet die hohe Spannung nicht-wässriger Systeme und die Sicherheit und Kosteneffizienz wässriger Systeme. Sie stellt einen großen Schritt nach vorn in der Entwicklung von Hochleistungs-Magnesium-Ionen-Batterien dar.“

In umfangreichen Zyklustests stellte das Forschungsteam fest, dass die Quasi-Festkörper-Magnesium-Ionen-Batterie selbst unter extremen Bedingungen mit Temperaturen bis zu minus 22 Grad Celsius nach 900 Zyklen noch 90 Prozent ihrer Kapazität behielt.

Die Batterie ist außerdem nicht entflammbar und widerstandsfähig gegen hohe Druckbelastungen, was sie zu einem vielversprechenden Kandidaten für Unterhaltungselektronik macht, auch in kälteren Klimazonen.

„Die in unserer Forschung vorgestellte Strategie zur Entwicklung eines fortschrittlichen Elektrolyten hat das Potenzial, über Magnesium-Ionen-Batterien hinaus auch andere mehrwertige Metall-Ionen-Batterien wie Zink-Ionen- und Aluminium-Ionen-Batterien zu entwickeln“, sagte HKU-Assistenzprofessor Wending Pan. „Wir glauben, dass diese Studie den Weg für die nächste Generation von Energiespeicherlösungen ebnen wird, die nicht nur effizient, sondern auch umweltfreundlich sind.“

Die Ergebnisse der Studie wurden unter dem Titel „Next-generation magnesium-ion batteries: The quasi-solid-state approach to multivalent metal ion storage„, in dem wissenschaftlichen Journal Science Advances veröffentlicht.

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