Development of a protective inorganic interface for using metallic Mg anodes in next-generation Mg-ion batteries
Magnesium-Ionen-Batterien (MIB) gelten aufgrund ihrer spezifischen Zellchemie als vielversprechend, da diese potenziell in der Lage ist, für stationäre Energiespeichersysteme eine höhere Energiedichte zu niedrigeren Kosten als Lithium-Ionen-Batterien zu erreichen. Dies beruht auf den natürlichen Vorkommen, den niedrigen Kosten, der Umweltverträglichkeit und den elektrochemischen Eigenschaften von Magnesium (Mg). Das größte Hindernis für die weitere Entwicklung von MIBs ist jedoch die Inkompatibilität von Mg-Metallanoden mit herkömmlichen Elektrolyten. Diese Lösungen zersetzen sich an der Oberfläche des metallischen Mg und bilden eine Passivierungsschicht, die die Mg2+-Diffusion und damit die elektrische Leitfähigkeit stark behindert.
Im Projekt MAGNIFICO wird ein sicherer und nachhaltiger nasschemischer Ansatz zur Herstellung eines Anodenmaterials der Generation 5 entwickelt, indem eine schützende intermetallische Zwischenphase auf die Oberfläche von Mg-Metallpulverpartikeln maßgeschneidert wird. Diese Beschichtung verhindert die Zersetzung des Elektrolyten und die Mg-Passivierung, während die Diffusion von Mg2+-Kationen erhalten bleibt. Es wird erwartet, dass die so geschützte Mg-Metallanode eine lange Zelllebensdauer (> 4000 Zyklen) erreicht und damit den derzeitigen Stand der Technik für MIBs übertrifft. Diese innovative Strategie wird es auch ermöglichen, die auf Mg-Pulver basierende Anode mit herkömmlichen Techniken und der bereits für Lithium-Ionen-Batterien entwickelten Infrastruktur für die Batterieproduktion industriell zu verarbeiten und herzustellen. Als Abschluss von MAGNIFICO wird die oberflächenbearbeitete Mg-Metall-Anode in eine umweltverträgliche 3-V-Mg-Ionen-Batterie für stationäre Energiespeichersysteme integriert, die eine Hochspannungs-Kathode aus dem wenig kritischen Rohstoff MgMn2O4 verwendet.
Experimentelle Methoden und Computerberechnungen (Dichtefunktionaltheorie und Machine-Learning-Potenzial) werden synergetisch eingesetzt, um die Eigenschaften der intermetallischen Zwischenphase zu charakterisieren. Mikroskopische, spektroskopische, diffraktometrische und elektrochemische Techniken werden eingesetzt, um die Zusammensetzung, die Morphologie, die Transporteigenschaften und die Stabilität der künstlichen Schutzschicht nach der Synthese sowie bei verschiedenen Ladezuständen (ex-situ) und während des Ladezyklus (in-situ) zu bewerten. First Principles und Potenzialberechnungen mit maschinellem Lernen werden durchgeführt, um mechanistische und molekulare Einblicke in die intermetallischen Interphasen unter idealen (0K) und realistischen Bedingungen (Anwendungstemperatur) zu gewinnen. Phasenstabilität und -energetik, Defektchemie, Defektbildungsenergien, Transporteigenschaften usw. werden im Rahmen des Projekts berechnet.
Durch die Kombination von rechnerischen und experimentellen Ansätzen für das Materialdesign zielt MAGNIFICO darauf ab, innovative Strategien für die Entwicklung von Mg-Pulveranoden zu entwickeln und MIBs über den Stand der Technik hinaus zu verbessern.
MAGNIFICO wird von der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft FFG unter Fördernummer 899395 finanziert.
