MgMeAnS

Entwicklung eine Sekundärbatterie mit Magnesium-Metall-Anode und Schwefel-Kathode

Laufzeit: 15.10.2017 bis 14.10.2020
Fördersumme: 332.501,00 €
Projektvolumen: 332.501,00 €
 

ausführende Stelle:

MEET - Münster Electrochemical Energy Technology
Corrensstr.  46
48149 Münster
zum Internetauftritt

Zuwendungsempfänger:

Westfälische Wilhelms-Universität Münster
Schlossplatz  2
48149 Münster
zum Internetauftritt

Fördergeber: BMBF, Referat 511

Förderkennzeichen: 03XP0140

Projektträger: PT-J

Leistungsplansystematik:
KB2220 Li-Ionen-Batterien

Förderprofil: Technologie- und Innovationsförderung

Förderart: PDIR

Kurzbeschreibung des Einzelprojektes

  • Entwicklung einer Mg-S-Batterie
  • Optimierung der Mg-Anode, Senkung des Überpotenzials
  • Mechanistische Studien zur Mg-S-Zellchemie
  • Charakterisierung von Mg-Polysulfiden
  • Grenzfläche zwischen Elektrolyt und Mg-Anode bei Nutzung einer Schwefel-Kathode
  • Einfluss von Elektrolyt-Komponenten auf Zellchemie einer Mg-S-Batterie


Ausführliche Beschreibung des Einzelprojektes

Herausforderungen und Ziele

Das Projekt MgMeAnS – „Entwicklung einer Sekundärbatterie mit Magnesium-Metall-Anode und Schwefel-Kathode“ kombiniert die Vorteile von Magnesium-basierten Anoden mit denen von Schwefel-basierten Kathoden. Magnesium (Mg) bietet sehr hohe Kapazitäten (3.833 mAh pro Kubikzentimeter bzw. 2.202 mAh pro g) bei einem niedrigen elektrochemischen Potenzial (Mg/Mg2+: -2,36 V vs. SHE). Daher ist es ein ideales Anoden-Material für die Batterie der „nächsten Generation“.

Bei den Kathoden-Materialien ist Schwefel (S) einer der Hoffnungsträger, nicht nur wegen des geringen Preises, sondern auch wegen der hohen, möglichen Kapazität (1.672 mAh pro g). Die Kombination dieser beiden Materialien stellt eine vielversprechende Batterietechnologie dar, bei der allerdings noch einige Herausforderungen bei der Entwicklung zu meistern sind.

Diesen Herausforderungen widmet sich das Projekt MgMeAnS. Es wird an allen drei Teilbereichen der Batterie gearbeitet, der Anode, dem Elektrolyten und der Kathode. Auf Seite der Anode sind hohe Überspannungen bei der Magnesium-Auflösung und -Abscheidung zu überwinden, die besonders durch Oberflächenschichten auf dem Metall erhöht werden.

Im Magnesium-basierten Elektrolyten werden sogenannte Polysulfide gelöst. Diese Polysulfide sind Reaktionsprodukte, die während des Ladens und Entladens der Schwefel-basierten Batterie entstehen. Ihre Reaktivität und variierende Zusammensetzung ist Gegenstand aktueller Forschung und wird in diesem Projekt hinsichtlich des Einflusses des zweiwertigen Magnesium-Kations untersucht.

Speziell angepasste Schwefel-Kathoden können die Bildung dieser Polysulfide unterdrücken oder auch erhöhen. Daher ist die Forschung an den Kathoden und den Reaktionen an der Grenzfläche zwischen Kathode und Elektrolyt von besonderem Interesse. Die erhaltenen Ergebnisse werden zusammengefasst und dienen letztlich einem besseren Verständnis der Mechanismen innerhalb von Mg-S-Batterien.

Das Projekt MgMeAnS wird in enger Zusammenarbeit mit der Bar-Ilan Universität in Israel durchgeführt und ist als spezielles Projekt zur Stärkung der deutsch-israelischen Kooperationen entstanden.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Die Arbeit im Projekt MgMeAnS fokussiert sich auf die Kombination einer Magnesium-Anode mit einer Schwefel-Kathode. Dabei repräsentieren die drei Teilgebiete Anode, Elektrolyt und Kathode die Arbeitsschwerpunkte im Projekt. In jedem Teilgebiet werden mechanistische Studien durchgeführt, die zu einem besseren Verständnis der Magnesium-Schwefel-Batterie beitragen sollen.

Angefangen beim Elektrolyten, der die Schnittstelle zwischen Anode und Kathode darstellt und die Ionen-Übertragung gewährleistet. Während des Ladens und Entladens entstehen hier Polysulfide, welche reaktive Zwischenprodukte der Reduktion des Schwefels sind. Diese haben eine bestimmte Löslichkeit im Elektrolyten und beeinflussen so die Vorgänge in der Batterie. Die auftretenden Polysulfid-Spezies werden im Rahmen des Projekts näher charakterisiert und ihre Bedeutung für einen Kapazitätsverlust während des Zyklierens untersucht.

Neben den Polysulfiden sind die komplexen Strukturen der Magnesium-basierten Elektrolyten ein wichtiger Forschungsschwerpunkt. Die Elektrolyte basieren zumeist nicht auf einfachen Magnesium-Salzen sondern auf Magnesium-Komplexen, die aus mehreren Spezies während des Zyklierens gebildet werden. Der Einfluss dieser auf die Polysulfide und die Magnesium-Auflösung und -Abscheidung sollen näher betrachtet werden.

Darüber hinaus werden Bemühungen unternommen, die Überspannungen auf der Magnesium-Anode zu verringern, die besonders bei der Magnesium-Abscheidung auftreten. Dies wird durch Vergrößerung der Magnesium-Oberfläche untersucht, z. B. mittels Pulver-basierten Elektroden.

Durch das Projekt ist eine enge Kooperation mit der Bar-Ilan Universität in Israel entstanden. Der israelische Partner thematisiert die Weiterentwicklung und Studien an der Schwefel-Kathode und beteiligt sich ebenso an der Aufklärung der Reaktionen an und im Elektrolyten.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Das Verständnis und die Weiterentwicklung der Magnesium-Schwefel Technologie im Rahmen dieses Projekts ist von großer Bedeutung für die Forschung an Batteriesystemen der „nächsten Generation“. Hierbei ist die Ausrichtung auf Materialien mit höheren Energiedichten als ein wichtiges Kriterium zu sehen.

Nicht weniger entscheidend sind die Kosten und Ressourcen-schonende Herstellung der Materialien. Hierbei spielen Schwefel und Magnesium eine große Rolle. Magnesium kann als siebthäufigstes Element auf der ganzen Welt gefunden werden und Schwefel fällt als Abfallprodukt bei der Erdöl-Raffination an. Diese beiden Rohstoffe sind wirtschaftlich vielversprechende Kandidaten für eine Vielzahl von Anwendungen in denen Lithium-Ionen-Technologien an ihre Grenzen stoßen.

Ein wichtiges, gesellschaftlich relevantes Anwendungsgebiet für Mg-S-basierte Batteriesysteme stellen stationäre Speicher dar, die für die Speicherung von Energie aus regenerativen Quellen genutzt werden könnten. Weiterhin sind Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt denkbar.


Kurzkategorisierung

Energiespeichertypen

Metall-Schwefel (nicht thermal)

Anwendungsfelder

noch nicht vorhersehbar

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung


Schlagworte zum Einzelprojekt

Energiespeichertyp

Metall-Schwefel (nicht thermal) Magnesium-Schwefel

Forschungsgegenstand

Zelle Elektroden Anode

Zelle Elektroden Kathode

Zelle Elektrolyt

Forschungsbereiche

Material-, Bauteil- und Systementwicklung Bauteil- und Komponentenentwicklung Elektrode Verringerung von Überspannungen

Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung

Analytik und Charakterisierung untersuchte Eigenschaft Grenzflächen

Analytik und Charakterisierung untersuchte Eigenschaft Alterung während der Zyklisierung

Analytik und Charakterisierung untersuchte Eigenschaft Struktur

Analytik und Charakterisierung untersuchte Eigenschaft Zwischenprodukte Polysulfide

Anwendungsfelder

noch nicht vorhersehbar

Projektleiter

Herr Prof. Dr. Martin Winter
MEET - Münster Electrochemical Energy Technology
Corrensstr.  46
48149 Münster
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Telefon: +49 251 83-36031
Fax: +49 251 83-36032
E-Mail: martin.winter@uni-muenster.de


Alternativer Kontakt

Herr Martin Kolek
Ansprechpartner

martin.kolek@uni-muenster.de

Telefon: +49 251 83-36024
Fax: +49 251 83-36032
E-Mail: martin.kolek@uni-muenster.de


Presse

Frau Vanessa Bartling
Schlossplatz 2
48149 Münster
Telefon: +49 251 83-36720
Fax: +49 251 83-36032
E-Mail: vanessa.bartling@uni-muenster.de
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