ACTEnglish version
Elektrischer Speicher
BMBF
Akkumulator 31.8.2015

Die Grafik zeigt das Funktionsprinzip des Magnesiumsulfid-Akkus.
© Brandenburgische Kondensatoren GmbH

Magnesiumsulfid: Alternative zu Lithium

Akkus sollen eine hohe Energiedichte aufweisen, kostengünstig sein und viele Speicherzyklen durchhalten. Einen solchen wollen Wissenschaftler im Projekt MASAK entwickeln. Ihr einmaliges Speicherkonzept: Im Gegensatz zu den bekannten Magnesium-Systemen wird hier nicht Magnesium-Kation für den Ladungstransfer verwendet, sondern Sulfid-Anion.

Projektstatus Projekt beendet
Projektlaufzeit September 2012 bis August 2015

Das Forschungskonsortium bestehend aus den Brandenburgischen Kondensatorenwerken, der Universität Rostock, Institut für Physikalische Chemie und dem Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM entwickelt ein Konzept für einen Energiespeicher auf Magnesium- und Schwefelbasis. Dieses Konzept entwickeln die Wissenschaftler im Projekt MASAK innerhalb von drei Jahren und erprobt dieses.

Viele Zyklen, lange Lebensdauer und niedriger Preis

Ziel von MASAK ist die Entwicklung und Herstellung eines Hochleistungsakkus mit einer hohen Speicherdichte, gutem Wirkungsgrad, langer Lebensdauer, zu einem konkurrenzfähigen Preis – der zudem nicht auf Lithium basiert. Anstelle von einwertigen Lithium-Ionen verwenden die Forscher für diesem Akku zweiwertige Magnesium-Ionen als Energiespeicher. Den Ladungstransport übernehmen Sulfid-Ionen, indem an der Kathode das Magnesium zu Magnesiumsulfid oxidiert beziehungsweise anodenseitig das Kupfersulfid zu Kupfer reduziert wird. Eine Kernaufgabe des Projekts ist dabei die Berechnung und Vorhersage sowie die Synthese geeigneter Elektrolyten, zum Beispiel auf Basis von ionischen Flüssigkeiten. In dem gesamten elektrochemischen System werden keine selten verfügbaren oder giftigen Materialien, wie Kobalt oder Lithium benötigt, was es zu einer kostengünstigen Alternative macht. Die Energiedichte des Elektrodenmaterials liegt theoretisch bei 1,2 kWh/kg; praktisch wird mit ca. 150 Wh/kg gerechnet.

Günstig, vielfach verfügbar und hohe Energiedichte

In diesem Projekt wird mit dem Magnesiumsulfid-Akku ein ganz neues Speicherkonzept erforscht, das zuvor noch nie untersucht wurde. Dabei handelt es sich um einen Akku, der kostengünstigen, vielfach verfügbaren Materialien aufgebaut ist und eine ähnliche Energiedichte hat wie die gängigen Lithium-Ionen-Systeme. Im Gegensatz zu den bekannten Magnesiumsystemen wird hier nicht das Magnesium-Kation für den Ladungstransfer verwendet, sondern das Sulfid-Anion. Da das Konzept zuvor noch nicht beschrieben wurde, müssen alle Komponenten – Kupfer-/Kupfersulfid-Anode, Magnesium-/Magnesiumsulfid-Kathode und Elektrolyt – von Grund auf neu entwickelt werden.

Entwurf für Magnesiumsulfid-Akku angestrebt

Etwa ein halbes Jahr nach Beginn wurden im Projekt Vor- und Literaturstudien abgeschlossen und die letzten notwendigen Installationen durchgeführt. Inzwischen sind alle der 14 Teilprojekte aus den sieben Arbeitspakten gestartet. Eine entscheidene Phase erreichte das Projekt nach etwa 18 Monaten, in der die ersten Prototypen von Anode und Kathode fertig wurden und das Konzept messtechnisch auf sein tatsächliches Potenzial geprüft werden konnte. In diesem Zusammenhang wurde mit dem 5. Meilenstein nach 20 Monaten damit gerechnet, dass auch ein geeignetes Elektrolytsystem gefunden wurde. In der letzten Phase wird vor allem die Optimierung der Performance und der Entwurf eines größeren Magnesiumsulfid-Akkus bearbeitet.

Poröse Struktur besser geeignet

Bei den Elektroden ist es von besonderem Interesse eine möglichst poröse Struktur zu erzeugen, da nur das Material an der Oberfläche für die Reaktion zur Verfügung steht. Daher werden die Elektroden entweder durch ein Foliengieß-Verfahren aus Pulvern oder durch Beladung eines porösen Kohlenstoff-Netzwerks hergestellt. Auch der Elektrolyt muss eine Reihe von Voraussetzungen erfüllen. Dazu gehören unter anderem die Stabilität gegen Magnesium, ein großes elektrochemisches Spannungsfenster zwischen ca. 1,5V und 3,5 Volt, hohe Sulfid-Ionen-Leitfähigkeit, geringe Toxizität und natürlich ein günstiger Preis. Ionische Flüssigkeiten werden auf Basis von sulfidischen quartären Ammoniumsalzen verfolgt. Diese können einfach synthetisiert werden und sind ausreichen verfügbar. Zudem untersuchen die Wissenschaftler, ob aus bekannten ionischen Flüssigkeiten Anionen gegen Sulfide ausgetauscht werden können, um so höhere Leitfähigkeiten zu erhalten.

Cobalt macht Lithium-Ionen-Akkus teuer

Die Kosten von Lithium-Ionen-Akkus belaufen sich zur Zeit auf etwa 500-700 Dollar pro kWh Ein Großteil der Kosten ergibt sich durch die verwendeten Materialien; vor allem wegen des Cobalts in Lithium-Cobalt-Oxid. Wenn es durch den Einsatz anderer Elektrodenmaterialien gelingt die Kostenstruktur von Batterien wesentlich günstiger zu gestalten, ergäbe sich daraus ein großes Potenzial für den Einsatz dieser Speicher.

Teilvorhaben

Unabhängig von den Arbeitspaketen und deren Teilprojekten lassen sich im wesentlichen drei Teilvorhaben identifizieren: die Entwicklung geeigneter Kupfer-/Kupfersulfid-Anoden und Magnesium-/Magnesiumsulfid-Kathoden, die Simulation und die Synthese eines sulfid-ionenleitenden Elektrolyten sowie den Aufbau eines Demonstrators. Alle Arbeitspakete samt Teilprojekte teilen sich wie folgt auf:

Arbeitspaket 1: Herstellung von Aktivkohleschichten
Arbeitspaket 2: Magnesiumsulfid-Kathode

  • Teilprojekt 2.1: Magnesiumsulfid-Kathode nach dem Grignard-Verfahren
  • Teilprojekt 2.2: Optimierungsansätze zur Herstellung der Magnesiumelektroden

Arbeitspaket 3: Kupferanode

  • Teilprojekt 3.1: Nasschemische Beladung der Kohleelektroden mit Kupfer
  • Teilprojekt 3.2: Nasschemische Beladung von Aktivkohle mit Kupfer
  • Teilprojekt 3.3: Elektrolytische Präparation der Kupferelektroden
  • Teilprojekt 3.4: Herstellung der Kupfersulfid-Elektroden


Arbeitspaket 4: Elektrolyt

  • Teilprojekt 4.1: Herstellung und Charakterisierung geeigneter Sulfide
  • Teilprojekt 4.1: Simulation geeigneter Elektrolyte
  • Teilprojekt 4.2: Synthese und Charakterisierung des Elektrolyten


Arbeitspaket 5: Elektrische und elektrochemische Charakterisierung

  • Teilprojekt 5.1: Fertigung von Testzellen
  • Teilprojekt 5.2: Elektrische Charakterisierung

Arbeitspaket 6: Physikalisch-chemische Analyse
Arbeitspaket 7: Magnesiumsulfid-Akku Demonstrator

Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

Termine

23. Oktober 2017
E-Mobility Power System Integration Symposium

24. Oktober 2017
Wirtschaftliche Energiespeicher

7. November 2017
Energiespeicher & Wärmepumpentechnologie

» Alle Termine

Infobox

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.