Lithium-Schwefel- und Magnesium-Schwefel Batterien im Vergleich
Höhere Energiedichten mit günstigen und verfügbaren Rohstoffen zu realisieren kombiniert gleich mehrere Ziele der Batterieforschung. Lithium-Schwefel- und Magnesium-Schwefel-Batterien gelten als potenzielle Kandidaten, um die Energiedichte der derzeit gängigen Lithium-Ionen-Batterie zu übertreffen. Insbesondere bei Magnesium-Schwefel-Batterien werden hierfür zudem günstigere und verfügbarere Rohstoffe verwendet. Nach aktuellem Stand der Forschung werden die vielversprechenden Energiedichten bisher nur theoretisch erreicht. Welche Ursachen zugrunde liegen, wie sich Magnesium-Schwefel- dabei von Lithium-Schwefel-Batterien unterscheiden und was realistische Zukunftsperspektiven der beiden Technologien sind, hat ein Wissenschaftsteam des MEET Batterieforschungszentrums der Westfälischen Wilhelms-Universität untersucht.
Elektrolyten als entscheidenden Faktor identifiziert
Um mit Magnesium-Schwefel-Batterien nicht nur theoretisch, sondern auch praktisch eine hohe Energiedichte erzielen zu können, müssen die Überpotentiale an der Magnesium-Anode und an der Schwefel-Kathode stark reduziert werden, so ein zentrales Ergebnis des Review-Artikels. Hierbei kommt dem Elektrolytdesign die entscheiden Rolle zu. „In den vergangenen Jahren hat die Forschung an Magnesium-Schwefel-Batterien mit der Entwicklung von Elektrolyten, die nicht reaktiv gegenüber Schwefel sind, einen großen Durchbruch erreicht. Nun gilt es, diese so weiterzuentwickeln, dass sie die elektrochemischen Prozesse an beiden Elektroden erleichtern“, erklärt Dr. Georg Bieker die Forschung am MEET.
Zudem muss die erforderlichen Elektrolytmenge deutlich reduziert werden, um Magnesium-Schwefel-Batterien realisieren zu können. Bisher sind bei Magnesium-Schwefel-Batterien erhebliche größere Mengen an Elektrolyt notwendig als in Lithium-Schwefel-Batterien, damit die an Schwefel-Kathode beim Laden und Entladen gebildeten Polysulfide gelöst werden. Wissenschaftler Martin Kolek verdeutlicht: „Magnesium-Kationen interagieren stärker mit den Polysulfid-Anionen als Lithium-Kationen. Dadurch sinkt die Stabilität und Löslichkeit der Polysulfide. Wir haben gezeigt, dass ein optimiertes Elektrolytdesign diese Interaktion verringern und damit die Stabilität und Löslichkeit der Polysulfide erhöhen kann.“
Gezielte Forschung an beiden Technologien
Die untersuchten Unterschiede der in Lithium-Schwefel- und Magnesium-Schwefel-Batterien beteiligten Lithium- und Magnesium-Spezies und die beobachteten elektrochemischen Prozesse auf Materialebene ermöglichen es nun, die Forschung an beiden Technologien gezielt voranzutreiben. MEET Wissenschaftlerin Verena Küpers Wissenschaftler Martin Kolek verdeutlicht: „Eine Vielzahl der Herausforderungen der Magnesium-Schwefel-Batterie sind in der Natur der Magnesiumspezies begründet. Gleiches gilt für die Lithium-Schwefel-Batterie, in der die Lithiumspezies starken Einfluss hat. Die Forschung sollte sich verstärkt auf diese Aspekte konzentrieren.“
Während die Lithium-Schwefel-Batterie derzeit Einzug in Nischenmärkte hält, ist die technologische Reife des Magnesium-Schwefel-Batterie weniger ausgeprägt. „Letztere befindet sich im Stadium der Grundlagenforschung, sodass zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht eindeutig geklärt werden kann, ob sie zukünftig mit derzeit kommerziell verfügbaren Batterietechnologien konkurrieren kann“, fasst Küpers zusammen.
Die detaillierten Ergebnisse ihrer Studie haben die Wissenschaftler*innen Dr. Georg Bieker, Martin Kolek, Verena Küpers und Prof. Dr. Martin Winter vom MEET Batterieforschungszentrum als Open-Access-Artikel in dem Fachmagazin „Communications Materials“ veröffentlicht.