Ein vielversprechendes Kathodenmaterial für wiederaufladbare Magnesiumbatterien

Lithium-Ionen-Batterien sind in Bezug auf die Gesamtleistung für mehrere Anwendungen konkurrenzlos geblieben, wie ihre weit verbreitete Verwendung in allem, von tragbarer Elektronik bis hin zu Mobilfunkbasisstationen, zeigt. Sie leiden jedoch unter einigen wichtigen Nachteilen, die schwer zu ignorieren sind.

Zum einen ist Lithium ziemlich teuer, und die Tatsache, dass es in einem extremen Tempo abgebaut wird, hilft nicht. Darüber hinaus reicht die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien nicht aus, um Elektrofahrzeugen und schweren Maschinen Autonomie zu gewähren. Diese Bedenken, gepaart mit der Tatsache, dass die Batterien sehr unsicher sind, wenn sie durchstochen werden oder bei hohen Temperaturen, haben Wissenschaftler dazu veranlasst, nach alternativen Technologien zu suchen.

Unter den verschiedenen Elementen, die als effiziente Energieträger für wiederaufladbare Batterien getestet werden, ist Magnesium (Mg) ein vielversprechender Kandidat. Abgesehen von seiner Sicherheit und Fülle hat Mg das Potenzial, höhere Batteriekapazitäten zu realisieren. Allerdings müssen zunächst einige Probleme gelöst werden. Dazu gehören das niedrige Spannungsfenster, das Mg-Ionen bieten, sowie die unzuverlässige Zyklenleistung, die bei Mg-Batteriematerialien beobachtet wird.

Um diese Probleme anzugehen, hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Vizepräsident und Professor Yasushi Idemoto von der Tokyo University of Science, Japan, nach neuen Kathodenmaterialien für Mg-Batterien gesucht. Insbesondere haben sie nach Möglichkeiten gesucht, die Leistung von Kathodenmaterialien auf Basis des MgV-Systems (V: Vanadium) zu verbessern. Glücklicherweise, wie in einer aktuellen Studie in der berichtet Zeitschrift für elektroanalytische Chemiehaben sie nun den richtigen Weg zum Erfolg gefunden.

Die Forscher konzentrierten sich auf das Mg1.33V1.67O4-System, ersetzten jedoch eine gewisse Menge Vanadium durch Mangan (Mn), wodurch Materialien mit der Formel Mg1.33V1.67−xMnxO4 erhalten wurden, wobei X geht von 0,1 bis 0,4. Obwohl dieses System eine hohe theoretische Kapazität bot, mussten weitere Details über seine Struktur, Zyklierbarkeit und Kathodenleistung analysiert werden, um seinen praktischen Nutzen zu verstehen. Dementsprechend charakterisierten die Forscher die synthetisierten Kathodenmaterialien mit einer Vielzahl von Standardtechniken.

Zunächst untersuchten sie die Zusammensetzung, Kristallstruktur, Elektronenverteilung und Partikelmorphologien von Mg1.33V1.67−xMnxO4-Verbindungen mithilfe von Röntgenbeugung und -absorption sowie Transmissionselektronenmikroskopie. Die Analysen zeigten, dass Mg1.33V1.67−xMnxO4 eine Spinellstruktur mit einer bemerkenswert einheitlichen Zusammensetzung aufweist. Als nächstes führten die Forscher eine Reihe von elektrochemischen Messungen durch, um die Batterieleistung von Mg1.33V1.67−xMnxO4 zu bewerten, wobei sie verschiedene Elektrolyte verwendeten und die resultierenden Lade-/Entladeeigenschaften bei verschiedenen Temperaturen testeten.

Das Team beobachtete für diese Kathodenmaterialien – insbesondere Mg1.33V1.57Mn0.1O4 – eine hohe Entladekapazität, die jedoch je nach Zyklenzahl auch stark variierte. Um zu verstehen warum, analysierten sie die lokale Struktur in der Nähe der Vanadiumatome im Material. „Es scheint, dass die besonders stabile Kristallstruktur zusammen mit einer großen Ladungskompensation durch Vanadium zu den überlegenen Lade-Entlade-Eigenschaften führt, die wir für Mg1.33V1.57Mn0.1O4 beobachtet haben“, bemerkt Prof. Idemoto. „Zusammengenommen deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass Mg1.33V1.57Mn0.1O4 ein guter Kandidat für Kathodenmaterial für wiederaufladbare Magnesiumbatterien sein könnte.“

Zufrieden mit den aktuellen Ergebnissen und hoffnungsvoll über das, was noch kommen wird, schließt Prof. Idemoto: „Durch zukünftige Forschung und Entwicklung könnten Magnesiumbatterien Lithium-Ionen-Batterien dank der höheren Energiedichte der ersteren übertreffen.“