Mit dem technologischen Fortschritt steigt auch die Nachfrage nach großflächigen und nachhaltigen Energiespeichern. Um diesem Bedarf gerecht zu werden, haben Forscher der Tohoku-Universität den Prototyp einer wiederaufladbaren Magnesiumbatterie (RMB) entwickelt, die viele der anhaltenden Herausforderungen der magnesiumbasierten Energiespeicherung meistert. Dieser Durchbruch stellt eine mögliche nächste Stufe der Energiespeicherung dar – eine schnell aufladbare Batterie aus nachhaltigen Materialien.
Lithium ist eine knappe Ressource. Daher ist es schwierig, genügend Lithium-Ionen-Batterien zu produzieren, um mit der neuen Technologie und unserer ständig wachsenden Bevölkerung Schritt zu halten. Im Vergleich dazu ist Magnesium direkt unter unseren Füßen in Hülle und Fülle vorhanden: in der Erdkruste.
„Der Grund, warum Magnesium nicht das Hauptmaterial für Batterien ist, liegt an einer trägen Reaktion, die einen Betrieb bei Raumtemperatur verhindert“, erklärt Tetsu Ichitsubo (Universität Tohoku). „Stellen Sie sich vor, die Batterien Ihres Geräts könnten nur bei extremen Temperaturen funktionieren. Sie wären für den Alltag praktisch nutzlos.“
Daher ist der Betrieb bei Raumtemperatur ein Schlüssel zur Realisierung magnesiumbasierter Energiespeicher als wettbewerbsfähige Alternative, die die Abhängigkeit von unseren begrenzten Lithiumressourcen verringern kann. Mit einer neu entwickelten amorphen Oxidkathode (Mg0,27Li0,09Ti0,11Mo0,22O), ist dem Forschungsteam dieses Kunststück gelungen.
Frühere Magnesiumbatterien hatten Probleme mit der schnellen und reversiblen Diffusion von Mg-Ionen, was ihren effizienten Betrieb bei Raumtemperatur verhinderte. Die amorphe Oxidkathode nutzt jedoch einen Ionenaustauschprozess zwischen Lithium und Magnesium, der Diffusionswege schafft, die eine leichtere Bewegung der Mg-Ionen ermöglichen.
Dadurch unterstützt die Kathode die reversible Magnesiumeinfügung und -entnahme bei Raumtemperatur.
„Wir haben einen Prototyp einer Vollzelle hergestellt, um diese Batterie in Aktion zu testen, und stellten fest, dass sie selbst nach 200 Zyklen noch ausreichend Energie abgeben konnte“, bemerkt Ichitsubo. „Das reichte aus, um eine blaue Leuchtdiode (LED) kontinuierlich mit Strom zu versorgen. Das ist spannend, denn frühere Demonstrationen von RMBs zeigten negative Entladespannungen, was bedeutet, dass sie keine nutzbare Energie lieferten.“
Sie untersuchten auch den zugrunde liegenden Mechanismus dieser Batterie. Die Studie bestätigt, dass die beobachtete Kapazität auf echte Magnesiuminterkalation zurückzuführen ist, was durch eine strenge chemische Analyse bestätigt wurde. Dies unterscheidet das System von früheren Berichten, in denen Nebenreaktionen und nicht die Bewegung von Magnesiumionen die scheinbare Leistung dominierten.
Diese Arbeit stellt die erste zuverlässige Demonstration einer Oxidkathode dar, die den Betrieb von RMB unter Umgebungsbedingungen ermöglicht. Sie etabliert grundlegende Designprinzipien für Kathodenmaterialien der nächsten Generation: die Einführung von strukturellem Freivolumen, die Kontrolle der Partikelgröße im Nanomaßstab und die Gewährleistung der Kompatibilität mit modernen Elektrolyten. Zusammen bringen diese Fortschritte RMBs der praktischen Anwendung als sichere, nachhaltige und ressourcenschonende Energiespeichersysteme näher.
Die Ergebnisse wurden am 17. September 2025 in Communications Materials veröffentlicht.
