TEIL C

ENERGIESPEICHERN

Die verschiedenen Batterie- und Akkumulatorentypen (VII)

Magnesiumbasierte Batterien

Magnesium ist deshalb besonders attraktiv, weil es in der Natur häufig vorkommt und bei der Abscheidung des Metalls an der Anode keine Dendriten entwickelt, die zu Kurzschlüssen in der Batterie führen könnten.

Massive Magnesiumbatterien werden schon seit vielen Jahren z.B. für den Betrieb von Leuchtbojen eingesetzt, da dieser Batterietyp für längere Zeiten, aber für geringere Ströme ausgelegt ist. Ein Modell dafür ist die 6 W Batteriezelle vom Typ Simrad SWB 1200 der norwegischen Marine- und Waffenfirma Kongsberg Maritime, die mit 750 – 1.000 Wh/kg eine außerordentlich hohe spezifische Leistung aufweist und für Einsatzzeiträume von 3 – 5 Jahren vorgesehen ist. Danach müssen die dann zu dünn gewordenen Magnesiumanoden durch neue Anoden ersetzt werden, während sich die inerten Kohlenfaserstäbe, die als Kathode dienen, nicht abnutzen. In den letzten Jahren sind solche Batterien allerdings meist durch wieder aufladbare Batterien in Kombination mit Solarzellen abgelöst worden.

Wieder aufladbare Magnesiumbatterien erreichen eine höhere Energiedichte (Energie pro Volumeneinheit) und spezifische Energie (Energie pro Gewichtseinheit) als heutige Lithium-Ionen-Batterien, da Magnesium-Ionen zwei Elektronen pro Atom übertragen. Wenn also Magnesium anstelle von Lithium in einer geeigneten Kathode eingelagert wird, erhält man auf Anhieb die doppelte Energiedichte. Der andere Schlüssel ist die Magnesium-Metall-Anode, die eine höhere Energiedichte bietet als herkömmliche Lithium-Ionen-Anoden. Das Ergebnis ist ein Akku mit einer bis zu dreifachen Energiedichte modernster Li-Io-Batterien. Hinzu kommt, daß Magnesium nicht nur reichlich vorhanden, sondern auch preiswert sowie sicher ist, das es weniger entflammbar und explosiv ist als das Element Lithium.

Im November 2010 erscheint die englischsprachige Ausgabe des Buches ‚The Magnesium Civilization: An Alternative New Source of Energy to Oil’ von Prof. Takashi Yabe vom Tokyo Institute of Technology, der als Erfinder einesMagnesium-Kreislaufs namens Magnesium Injection Cycle (MAGIC) gilt, über den ich bereits im Unterkapitel Solare Thermochemie berichtet habe (s.d.).

An einer Batterie, deren Chemie auf dem weit verfügbaren Magnesium und Aluminium sowie auf einer einfachen Konstruktion basiert, arbeitet auch die 2012 gegründete Firma Xilectric Inc. in Auburndale, Massachusetts, die schon im Januar drei Zuschüsse aus dem Small Business Innovation Research Programm (SBIR) des US-Verteidigungsministeriums in Gesamthöhe von 2,87 Mio. $ erhält. Im August gibt es im Rahmen des Batterie-Förderprogramms ARPA-E weitere 1,73 Mio. $, und im Februar 2013 nochmals 1,725 Mio. $, ohne daß bislang irgend etwas zu sehen ist. Es gibt weder Informationen über die Technologie, noch existiert so etwas wie eine Homepage. Höchst ominös.

Magnesium-Antimon-Flüssigmetallbatterie

 

Im März 2009 beginnt eine Flut von Meldungen über die Arbeit von Prof. Donald R. Sadoway am Massachusetts Institut of Technology (MIT), die im Jahr zuvor mit interner Finanzierung aus dem Deshpande Center und der Chesonis Family Foundation begonnen hatte. Rund 10 Jahre zuvor hatte sich Sadoway noch mit Lithium-Polymer-Batterien beschäftigt (s.d.)

Doch nun erfindet Sadoway zusammen mit seinem Team eine neuartige Flüssigmetallbatterie, die auf Magnesium, Magnesium-Chlorid und Antimon basiert. Flüssige Metalle als Elektroden zu verwenden, verspricht eine lange Lebensdauer, viele Ladezyklen ohne Kapazitätsverlust und hohe Stromstärken. Einer der Gründe dafür ist die Tatsache, daß diese Elektroden elektrische Ströme verkraften können, die mehrfach höher liegen, als sie jemals bei anderen Batterien gemessen worden sind. Auf die Idee dazu kommt Sadoway durch die in Aluminiumwerken zum Schmelzen des Metalls verwendete Technologie, bei der extrem hohe Ströme von 100.000 bis 150.000 A zu Einsatz kommen.

Ein Prototyp im Format einer Filmdose hat eine Ausgangsspannung von 1 V und eine Kapazität von einer 1 Ah – allerdings erst wenn er in einem speziellen Ofen auf seine Betriebstemperatur von 700°C erhitzt wird, so daß sich die Materialmischung verflüssigt. Dann sorgt die unterschiedliche Dichte der drei Substanzen dafür, daß sie in drei Schichten übereinander schwimmen. Unten das Schwermetall Antimon (Sb) als Kathode, in der Mitte das Salzgemisch als Elektrolyt (MgCl₂–KCl–NaCl), und oben das Leichtmetall Magnesium (Mg) als Anode der Batterie. Wenn Leistung in die Batterie fließt, werden aus dem Magnesium-Antimonid, das im Elektrolyten gelöst ist, Magnesium und Antimon erzeugt. Entlädt sich die Zelle, lösen sich die Metalle der beiden Elektroden wieder, um erneut Magnesium-Antimonid zu bilden, das sich in dem Elektrolyten auflöst, wodurch die Menge des Elektrolyts größer wird, und die der Elektroden schrumpfen.

Ein weiterer Prototyp, etwa so groß wie ein Hockey-Puck, erreicht 20 Ah. Der Stahlzylinder ist mehrere Kilogramm schwer und hat oben silberne Kontakte. Bislang halten die Prototypen 100 Zyklen und lassen sich zehnmal schneller laden als Lithium-Ionen-Akkus. Die Prototypen legen nahe, daß diese Batterien weniger als ein Drittel heutiger Batterien kostet könnten, denn die Materialien sind billig und das Design ermöglicht eine einfache Fertigung. Und während die im Labor getesteten Modelle noch durch eine Außenheizung auf die erforderliche hohe Temperatur gebracht werden müssen, wird davon ausgegangen, daß bei Versionen in voller Größe der elektrische Strom, der in oder aus der Vorrichtung gepumpt wird, ausreicht, um die Betriebstemperatur ohne jede äußere Wärmequelle zu halten. Die Kilowattstunde Speicherkapazität soll dann weniger als 100 $ kosten, im Vergleich zu den etwa 600 $ bei Natrium-Schwefel-, oder zwischen 800 $ und 1.000 $ bei Lithium-Ionen-Akkus.

Als die Obama-Regierung im November 2009 im Rahmen des ARPA-E-Programms des DOE eine Venture-Capital-Finanzierung für fortgeschrittene Durchbrüche im Bereich der Erneuerbaren Energie zur Verfügung stellt, werden aus 3.600 Bewerbern 37 Gewinner ausgewählt – darunter auch Sadaways MIT-Projekt ‚Electronville: High-Amperage Energy Storage Device-Energy Storage for the Neighborhood’, das knapp 7 Mio. $ erhalten soll. Doch nur eine Woche nach der Ankündigung des DOE macht der französische Mineralölkonzern TOTAL Sadoway ein Gegenangebot in Höhe von 4 Mio. $. Worauf dieser ein Gemeinschaftsprojekt daraus macht, das nun bis 2013 mit 11 Mio. $ finanziert ist. Genial.

Im August 2010 wird in dem vom MIT herausgegebenen Magazin Technology Review der Student David Bradwell als derjenige bezeichnet, der die neue Flüssigmetallbatterie 2007 erfunden habe. Tatsächlich hatte dieser im Zuge seiner Doktorarbeit eine entscheidende Rolle bei der Weiterentwicklung der Technologie gespielt. Und so gründen Sadoway und Bradwell gemeinsam, und zusammen mit Luis Ortiz, im Jahr 2010 in Cambridge, Massachusetts, eine Firma mit dem pragmatisch-trockenen Namen Liquid Metal Battery Corp. (LMBC), die auch sogleich von Bill Gates mit Startkapital ausgestattet wird. Sadoway nimmt eine einjährige Auszeit vom MIT, um bei der neuen Firma als Wissenschaftsberater tätig zu werden, während Bradwell sich mit den Titeln (und Aufgaben) eines ‚Senior Vice President of Commercialization’ und eines ‚Chief Technology Officer’ schmücken darf.

Im Juli 2011 sichert sich LMBC die Rechte an den Schlüsselpatenten der von Sadoway und Bradwell erfundenen Technologie. Nun wächst die Belegschaft schnell auf 17 Mitarbeiter, und als Ziel wird die Kommerzialisierung der Technologie innerhalb von 5 Jahren und zu einem Preis von nicht mehr als 250 $/kWh festgelegt.

Der nächste Schritt erfolgt im Mai 2012 als das Unternehmen in einer Finanzierungsrunde B von den bisherigen Investoren sowie Khosla Ventures als neuer Geldgeber insgesamt 15 Mio. $ einnehmen kann. Im August wird der Name in Ambri Inc. geändert (der Mittelteil von Cambridge), und ein erster Prototyp, in dem Hunderte einzelner Module einen 40-Fuß-Container füllen, erreicht bereits eine Speicherkapazität von 2.000 kWh. In diesem Jahr Sadoway vom Magazin Time zu den 100 einflußreichsten Personen der Welt gewählt.

Pressemeldungen vom August 2013 zufolge hat Ambri zwischenzeitlich einige technische Fortschritte erzielen können, darunter über 7 Monate Dauerbetrieb, einen Wirkungsgrad bis 80 % und eine Montagezeit von weniger als 10 Minuten. Außerdem wurde die Laboratoriumszelle als kommerzielles Produkt in Form einer quadratischen 4" Zelle mit einer Kantenlänge von 10 – 20 cm neu gestaltet, sowie ein Low-Cost-Recycling-Verfahren entwickelt.

Das Vermarktungskonzept ist modular aufgebaut und sieht vor, aus 54 Zellen ein Ambri Cell Pack mit 14 kWh zu bilden, aus 16 Packs ein 200 kWh Ambri Core, und aus 2 Cores ein 400 kWh Ambri Energy Pod, von dem wiederum 5 Stück ein 500 kW/2 MWh Ambri Energy Storage System (AESS) bilden sollen, in welches eine netzgekoppelte Leistungselektronik integriert ist. Zu diesem Zeitpunkt kann das Unternehmen einen Prototyp mit einer Energiespeicherkapazität von 35 kWh und einer Spitzenleistung von 8,75 kW vorweisen.

Als nächstes ist die Entwicklung einfacher Fertigungs- und Montageprozesse an der Reihe, um kommerzielle Prototypen bereitstellen zu können, welche im Jahr 2014 bzw. 2015 auf der Joint Base Cape Cod und bei einem Windenergieprojekt von First Wind auf Hawaii zum Einsatz kommen werden. 2016 soll dann die Massenproduktion einer größeren Version dieser Batterien mit einer Energiespeicherkapazität von 2 MWh beginnen.

Im November feiert 2013 Ambri in Anwesenheit des Gouverneurs von Massachusetts die Eröffnung des ersten kleinen Batteriefertigungswerkes in Marlborough, Massachusetts, mit einer jährlichen Produktionskapazität von 138 MWh. Hier sollen die geplanten Prototyp-Batteriesysteme hergestellt werden. Das abgebildete 2 kW Labormodell besteht aus 36 Einzelzellen. Die Ziele sind inzwischen etwas heruntergeschraubt worden: Systeme mit 20 kWh Anfang 2014, mit 35 kWh im Jahr 2015, und erst danach ein 3 m² großes und 10 Tonnen schweres 200 kWh System.

Magnesium-Ionen-Batterie

Schon seit Jahrzehnten versuchen Wissenschaftler, Batterien mit dem günstigen und für die Umwelt unbedenklichen Leichtmetall Magnesium als Anode herzustellen, doch die dünnen Elektroden dieses Leichtmetalls erweisen sich als zu brüchig.

Im Oktober des Jahres 2000 kursieren die ersten Meldungen, daß israelischen Wissenschaftlern der Durchbruch mit einer wieder aufladbaren Magnesiumbatterie gelungen sei, die Magnesium-Organoaluminium-Salze als Basis ihrer Elektrolytlösungen benutzt. Die neu entwickelte Batterie, die derzeit noch so groß wie ein Computerbildschirm ist, soll bis zu 2.000 mal wieder aufladbar sein, eine Spannung von 1,3V haben und bis nächstes Jahr zur Marktreife gelangen. Was sich dann jedoch als äußerst übertriebene Vorstellung erweist. Im Jahr 2001 wird statt dessen mit Elektrolytlösungen auf Basis von Organomagnesium-Chloroaluminat-Komplexen experimentiert.

Erst im April 2003 können Prof. Doron Aurbach und seine Kollegen von der israelischen Bar-Ilan University in Ramat-Gan, denn um diese handelt es sich bei den o.g. Wissenschaftlern, berichten, daß sie das Problem der brüchigen Elektroden nun mit einer Magnesium-Legierung gemeistert haben, der 3 % Aluminium und 1 % Zink zugesetzt wurde. Da als Kathoden-Material eine Substanz benötigt wird, in der Magnesium-Ionen bei der elektrochemischen Reaktion in der Batterie leicht aufgenommen werden können, entscheiden sich die Forscher für eine Molybdän-Schwefel-Verbindung (Mo₆S₈), bei der enthaltene Kupferanteile in einem chemischen Prozeß durch Magnesium ersetzt wurden. Als leitfähiger Elektrolyt wird eine ungiftige Magnesium-Aluminium-Verbindung aus der Stoffklasse der Alaune genutzt. Die gelförmige, organische Flüssigkeit unterstützt das Wandern der Magnesium-Ionen von der Anode zur Kathode.

Die neue Batterie auf Magnesiumbasis kommt ohne giftige Metalle wie Blei oder Cadmium aus, funktioniert in einem Temperaturbereich von 0 - 80°C und läßt sich ohne großen Leistungsverlust wieder aufladen. Der Prototyp hat ein Spannungsbereich von 0,8 – 1,3 V (andere Quellen: 0,9 – 1,2 V). Mit nur 10 Wh/kg liegt die Energiedichte allerdings noch etwa einen Faktor zehn unter den Werten für kommerziell erhältliche Li-Io-Akkus und ist damit zu gering für tragbare Systeme. Sollte es nun gelingen, einen praktikablen Herstellungsprozeß für die Magnesium-Batterie zu entwickeln, könnte sie trotzdem als leichter, günstiger und umweltfreundlicher Ersatz für heutige Blei-Akkus oder Nickel-Cadmium-Batterien dienen. In Hinblick auf Gewicht und Leistung kann sie zwar nur schwer mit Lithium-Ionen-Akkus konkurrieren, wäre preislich jedoch deutlich günstiger. Und wegen ihres geringen Gewichts bietet sie sich auch zur Anwendung in Elektromobilen an.

Es dauert dann bis zum Dezember 2009, als Aurbach meldet, nun mit dem Elektronik-Riesen LG zusammenzuarbeiten. Zum Background: Aurbach hatte ab 1983 an der Entwicklung der ersten Lithium- und Lithium-Ionen-Batterien gearbeitet, doch die 1984 als Joint Venture zwischen Tadiran and Sonnenschein entstandene Tadiran Batteries Ltd. in Port Washington, USA, für die er damals arbeitete, wählte den falschen Markt und verhinderte einen frühen Erfolg. Bis 2006 firmierte man unter dem Namen Sonnenschein Lithium, inzwischen befindet sich die Mutterfirma im Besitz des französischen Batterie- und Akkumulatorenherstellers Saft S.A.

Ebenfalls im Jahr 2009 gründet MIT-Prof. Gerbrand Ceder zusammen mit Kristin A. Persson vom Lawrence Berkeley National Laboratory und Dank einer Finanzierung durch Khosla Ventures die Firma Pellion Technologies Inc. in Cambridge, Massachusetts, um die weltweit erste kommerzielle Magnesium-Ionen-Batterie zu entwickeln, die ein besseres Kosten-Nutzen-Verhältnis und eine längere Lebensdauer als die aktuellen Lithium-Ionen-Batterien hat. Aurbach wird in der neuen Firma als wissenschaftlicher Berater eingestellt.

Als das US-Energieministerium im April 2010 ankündigt, 37 experimentelle Projekte im Bereich der alternativen Energien mit insgesamt 106 Mio. $ zu finanzieren, wird Pellion im Rahmen des Teilprojekts ‚Batteries for Electrical Energy Storage in Transportation’  (BEEST) mit 3,2 Mio. $ bedacht, um eine kostengünstige, wieder aufladbare Magnesium-Ionen-Batterie für Elektro- und Hybrid-Elektrofahrzeuge zu entwickeln. Im November 2011 gibt es aus dem ARPA-E-Programm weitere 2,5 Mio. $ für das Unternehmen.

Pellion arbeitet mit Computerscreening, um geeignete Kathoden für Magnesium-Ionen-Batterien zu identifizieren, was weder Aurbach noch seinen Kollegen in den vergangenen zehn Jahren gelungen war – weshalb das Interesse an Magnesium Batterien auch beträchtlich nachgelassen hat. Durch den Einsatz einer Hochdurchsatz-Technik gelingt es dem Team, mehr als 10.000 Kandidaten für passende Kathoden zu testen und etwa ein Dutzend davon im Labor zu prüfen. Einige davon demonstrieren mehr als 3.000 Zyklen bei 100 % Entladungstiefe, wobei weniger als 15 % Kapazitätsschwund festgestellt wird. Für einen kommerziellen Einsatz reicht das aber noch nicht aus. Daneben werden bei Pellion auch noch mehrere Klassen von Elektrolyten entwickelt. Aufgrund von Berechnungen kann gezeigt werden, daß es Materialien gibt, mit denen auch ein weiteres Problem bei Magnesium-Batterien gelöst werden kann, und zwar die relativ geringere Mobilität von Magnesium im Vergleich zu Lithium.
 
Im August 2012 fließen aus dem Füllhorn ARPA-E weitere 2,5 Mio. $ an Pellion, als insgesamt 19 Batterie-Projekte mit zusammen 43 Mio. $ gefördert werden, um sie ihrer Kommerzialisierung näher zu bringen. Der nächste Schritt folgt im Dezember, als das DOE gemeinsam mit Israels Energie- und Wasserministerium ein Budget in Höhe von 3,5 Mio. $ für vier amerikanisch-israelische Projekte im Bereich der Erneuerbaren Energien freigibt. Eines dieser Projekte ist die Entwicklung einer wiederaufladbaren Magnesium Hochenergie-Batterien, bei der Pellion mit der Bar-Ilan Research and Development Company Ltd. in Ramat Gan zusammenarbeitet, der Vermarktungsfirma für an der dortigen Universität entwickelten Technologien und Pharmazeutika. Seitdem gibt es keine weiteren Neuigkeiten mehr, und auch die Homepage von Pellion ist seit 2012 keinem Update mehr unterzogen worden.

 

Im Mai 2013 meldet die Technische Universität Berlin, daß Wissenschaftler unter der Leitung von Prof. Peter Strasser an zwei neuartigen elektrochemischen Energiespeichertechnologien forschen. Neben Alkoholbrennstoffzellen (s.d.) sind dies Magnesium-Ionen-Batterien, die den heute üblichen Speichertechnologien in wichtigen Punkten überlegen sind. Beispielsweise erhitzen sich Magnesium-basierte Batterien bei zu schneller Aufladung oder Überladung nicht so stark wie Lithium-Ionen-Batterien. Auch an der TU konzentrieren sich die Forschungen nun auf die Entwicklung neuer Elektrodenmaterialien, die Magnesium-Ionen besser aufnehmen und abgeben.

Das Projekt ist Teil des ‚TU9 deutsch-chinesischen Forschungsnetzwerkes Elektromobilität’, in dem neun große deutsche technische Universitäten und drei chinesische Eliteuniversitäten an den technischen und gesellschaftlichen Aspekten elektrisch angetriebener Fahrzeuge arbeiten. Gefördert wird es vom Bundesministerium für Bildung und Forschung. Die Forschungen am Fachgebiet von Prof. Strasser werden mit mehr als 1 Mio. € finanziert.

Magnesium-Kohlenstoff-Batterie

Ein früher Einsatz von Magnesium-Kohlenstoff-Batterien erfolgt im Torpedotyp G 7p der Reichsmarine, einem Versuchsmodell, das eine Geschwindigkeit von 40 kn erreicht.

Eine Minimalversion kann man leicht selbst aus einem Bleistift (Kohlenstoff) und einem Anspitzer herstellen (sofern dieser aus Magnesium, und nicht aus Plastik ist). Es reicht, zwischen der Bleistiftspitze und dem Anspitzer ein mit Salzwasser angefeuchtetes Stückchen Tuch zu plazieren, anschließend kann man den Stromkreis schließen und eine LED zum aufleuchten zu bringen.

Aktuelle kommerzielle Umsetzungen sind nicht auszumachen.

Magnesium-Kupferchlorid-Batterie

Magnesium-Kupferchlorid-Batterien gelten als Reservezellen, da sie wegen der hohen Selbstentladung nicht als primäre Batterien verwendet werden können. Dafür haben sie hohe Entladungsraten und Leistungsdichten. Da sie trocken vorgeladen werden, sind sie sofort einsatzbereit, sobald etwas Wasser hinzugefügt wird. Aufgrund ihres leichten Gewichts haben sie sich daher als äußert praktische, tragbare Notfall-Batterien erwiesen.

Ihre Funktion erfolgt durch die Abscheidung von Kupfer auf die Magnesium-Anode. Variationen dieser Batterie nutzen Silberchlorid, Bleichlorid, Kupfer-Jodid oder Kupferthiocyanat, welche mit dem Magnesium reagieren. Das genutzte Wasser muß dabei nicht einmal rein sein, auch Meerwasser, Leitungswasser oder Flüssigkeiten aus Bio-Abfällen können verwendet werden. Beim Einsatz als Torpedobatterien beispielsweise wird Meerwasser durch die Batterie gepreßt, um zum Antrieb der Propeller bis zu 460 kW Leistung zu erhalten.

Mitte 2005 kursieren in der Presse Meldungen, denen zufolge Forscher aus Singapur eine Batterie entwickelt haben, die Strom aus Urin erzeugt. Die papierdünne Batterie, die aus in Kupferchlorid getauchtem Filterpapier besteht, das zwischen einen Kupfer- und einen Magnesiumstreifen geklemmt wird, liefert mit einem einzigen Tropfen Harn eine elektrische Leistung von mehr als 1,5 mW und eine Spannung von etwa 1,5 V. Um ein Verschieben der einzelnen Bestandteile zu verhindern, wird das ‚Batterie-Sandwich’ zwischen zwei Plastikfolien eingeschweißt.

Die Batterie soll bei einer schnellen Krankheitsdiagnose helfen, denn der Urin dient nicht nur als Energielieferant sondern wird gleichzeitig analysiert, um zum Beispiel bei der Diagnose von Diabetes die Glucosekonzentration zu bestimmen. Mit Hilfe der Urin-Batterie sollen nun Biochips in der Größe von Kreditkarten entwickelt werden, die nach einmaliger Anwendung entsorgt werden können. Mehr über Urin-Batterien findet sich in dem entsprechenden Unterkapitel (s.d.)

Auf ebay werden Magnesium-Kupferchlorid-Batterien aus russischer Produktion angeboten, die u.a. bei Kleinfunkgeräten eingesetzt werden. Die nicht aufladbaren Zellen (3 W/1,5 V) werden bei Bedarf in Wasser getaucht und so aktiviert. Sie kosten 12 € (Stand: 2013).

Siehe auch unter Magnesium-Wasser-Batterie.

Magnesium-Luft-Batterie

Magnesium-Luft-Batterien werden auch häufig als Magnesium-Brennstoffzellen bezeichnet. Ihre Entdeckung geht auf die 1960er Jahre zurück, doch die energieverbrauchende Bildung von Wasserstoffgas bei der Elektrolyse und die damit einhergehende Zunahme von Druck und/oder Volumen verhindert lange Zeit die praktische Umsetzung. Trotz erheblicher Forschungsanstrengungen, einschließlich der des US-Militärs, gelingt es nicht ausreichend hohe Stromwerte und Wirkungsgrade zu erreichen, um mit herkömmlichen Akkus oder mit fossilen Brennstoffen konkurrieren zu können.

Bei diesem Batterietyp reagiert das Magnesium mit dem Sauerstoff aus der Luft zu einem Magnesiumsalz, wobei sich zwischen den beiden Reagenzien Magnesium und Sauerstoff als Elektrolyt eine wäßrige Kochsalzlösung befindet. Die Anordnung erzeugt eine Spannung von 1,1 V und liefert etwa 30 mA/cm². Ist das Magnesium aufgebraucht gilt die Batterie als entladen, doch nach dem Austausch eines ‚Magnesiumbrennstabes’, was innerhalb von Sekunden stattfinden kann, ist die Batterie wieder geladen.

Die im Jahr 1999 von Bruce W. Downing gegründete kanadische Firma MagPower Systems Inc. in White Rock, British Columbia, hat das Ziel, die Magnesium-Luft-Brennstoffzellen-Technologie zu kommerzialisieren. In den folgenden Jahren konzentriert sich das Unternehmen auf die Erforschung der Eigenschaften und Merkmale dieser Technologie und entwickelt eine Reihe von Anwendungen wie Generatoren und Notfall-Laternen. MagPower sieht sich allerdings nicht als Hersteller, da die Stärke des Unternehmens in der Forschung und Entwicklung liegt, deren Ergebnisse man in Lizenz- und Entwicklungspartnerschaften einfließen lassen will. Das vermutlich erste Patent ‚Methods and products for improving performance of batteries/fuel cells’ wird 2001 beantragt und 2004 erteilt (US-Nr. 6.706.432, s.a. EP 1413001).

Die Kernkompetenz von MagPower sind jedoch Wasserstoff-Inhibitoren, welche das größte Problem bei der Anwendung dieser Technologie lösen. Die Entwicklung von Additiven zur Verringerung der Bildung von Wasserstoff (H₂-Hemmer) erfolgt im Wesentlichen im Rahmen von Vertragsarbeiten des Forschungs- und Entwicklungsteams von MagPower an der Universität von British Columbia. Das Unternehmen ist eigener Aussage zufolge das einzige der Welt, dem es gelungen ist dieses Problem zu lösen.

Interessanterweise führte diese Wasserstoff-Inhibitor-Technologie zu weiteren Umsetzungen: der Wasserstoffreduktion bei der elektrolytischen Gewinnung von Zink und Mangan, sowie Zink-Alkalibatterien. Die Patente, die ich bei meiner Recherche gefunden habe, laufen daher unter dem Namen ‚Additive zur Verhinderung der Wasserstoffbildung bei der elektrolytischen Gewinnung von Zink’ und betreffen das Zusetzen eines Cetylpyridinium-Salzes als Additiv zu einem Elektrolyten (Hydrogen evolution inhibiting additives for zinc electrowinning, US-Application 20050011769, eingereicht 2002, vgl. EP-Nr. 1417357 und DE-Nr. 60203301, erteilt 2005).

Im Jahr 2001 gründet MagPower zwei Abteilungen, um diese neue Technologie zu kommerzialisieren: eine Wasserstoff-Inhibitor-Abteilung und eine Magnesium-Luft-Brennstoffzellen-Abteilung. Bereits im März 2002 stellt die Firma ihre erste Magnesium-Air Power Cell (MAPC) als primärer, alternativer und/oder Notstromgenerator vor, deren höhere Sicherheit und Kosteneinsparungen erhebliche Vorteile gegenüber Wasserstoff-Brennstoffzellen darstellen. Die im Prinzip unbegrenzt haltbare Zelle arbeitet mit einem Salz-Wasser-Elektrolyt, kombiniert mit dem Wasserstoff-Inhibitor des Unternehmens. Die Effizienz der einzelnen Zelle soll rund 80 % betragen, während die Energiedichte des 12 V Gerät 136,19 Wh/kg beträgt.

Bis Anfang 2003 werden Tests durchgeführt, bei denen die MAPC ein portables Wasseraufbereitungssystem der Firma Ultra Guard versorgt. Es ist die erste direkte Nutzung der neuen Magnesium-Luft-Brennstoffzelle. Die Ergebnisse sind so zufriedenstellenden, daß Ultra Guard das kombinierte System nun weltweit verfügbar machen will.

Tatsächlich ist es anschließend jedoch ein paar Jahre recht ruhig, und erst im Rahmen des Foreign Comparative Testing (FCT) Program des US Navy & Marine Corps im Jahr 2006 erscheint der Name des Unternehmens wieder. Dabei geht es um Bewertung leichter, nicht wiederaufladbarer und umweltfreundlicher Notfallbatteriesysteme durch das Marine Corps Systems Command (Expeditionary Power) in Quantico, Virginia. Im Wettbewerb stehen die Batterien von MagPower und der Firma MEET Co. Ltd. aus Gyeonggi-do in Südkorea. Diese bietet unter dem Markennamen MetalCell MAB5A eine 120 x 120 x 70 cm große 10 W Magnesium Luft-Brennstoffzelle mit einer Nennspannung von 6 V und einer Kapazität von 50 Ah an, die als Elektrolyt ebenfalls nur Salzwasser oder Meerwasser benötigt. Als Preis werden 120 – 200 $ angegeben.

Dieses Brennstoffzellensystem ist im Jahr 2000 entwickelt worden, um den Anforderungen des südkoreanischen Militärs für ein tragbares Batterieladesystem entgegenzukommen. Die Magnesium-Luft-Notfall-Batterie ist in Vier- und Sechs-Zellen-Versionen mit 6,4 V bzw. 9,6 V verfügbar und kostet 100 $. Jede Einheit kann ein Radio oder einen persönlichen digitalen Assistenten für bis zu 100 Stunden betreiben. Im Gegensatz zu allen anderen bekannten Batteriesystemen heißt das im vorliegenden Fall, daß man die Batterie für eine Stunde nutzen und dann das Wasser ablassen kann – und daß man auf Grundlage der Lebensdauer der Metallanoden dann weitere 99 Betriebstunden zur Verfügung hat. Nur nach vier Stunden im Dauerbetrieb muß etwas mehr Wasser hinzugefügt werden.

Doch zurück zu MagPower. Auch in den Folgejahren ist es still um das Unternehmen, bis im April 2010 neue Meldungen erscheinen, denen zufolge MagPower zwischenzeitlich über 4 Mio. $ Investitionsmittel einnehmen konnte und Joint-Venture-Initiativen mit den Firmen Ionocom Inc., Gentex Corp. und Seawolf Industries Inc. eingegangen sei. Details darüber sind nicht zu erfahren.

Im Jahr 2011 bezeichnet sich MagPower als Marktführer in den Bereichen der Metall-Luft-Stromgewinnung und der Wasserstoff-Inhibitor Forschung. Im Oktober 2013 wird die PS 900 Leuchte mit der Goldmedaille der Hong Kong Electronics Fair ausgezeichnet. Dank der Magnesium-Luft-Brennstoffzelle entspricht die Lampe dem FEMA Katastrophenhilfen-Standard einer 72-Stündigen Selbstversorgung.

In Deutschland erfolgt die Entwicklung von Magnesium-Luft-Batterien im Zeitraum von 2005 – 2008 an der TU-Berlin in Zusammenarbeit mit Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM).

Bislang nicht verifizieren konnte ich eine Meldung vom Oktober 2008, der zufolge die Firma Ideas4motion GmbH aus München ein Modellboot mit einer Magnesium-Luft-Batterie konstruieren will. Mit einem derartigen Speichersystem könnte die Überquerung des Atlantiks theoretisch mit einer ‚Tankfüllung’ aus 1,5 kg Magnesium erfolgen.

Die einfache Technologie hat inzwischen auch die Jugend erreicht. Mit dem Kosmos-Experimentierkasten ‚Öko-Power - Von der Batterie zur Brennstoffzelle’ lernen Kinder ab 10 Jahren die einfache Funktion der Magnesium-Luft-Zelle kennen. Neben 22 unterschiedliche Fahrzeugen und anderen Umsetzungen kann auch eine Ladestation gebastelt werden, die gewöhnliche Akkus mit Energie aus der Magnesium-Luft-Zelle auflädt.

Einen wesentlichen Schritt geht es voran, als das südkoreanische Forschungsinstitut KIST (Korea Institute of Science and Technology) im Januar 2013 eine neuartige Magnesium-Luft-Batterie für Elektroautos vorstellt, mit der Reichweiten von bis zu 800 km und eine deutlich kürzere Ladezeit von zehn Minuten möglich sein sollen. Dafür müssen nur der Elektrolyt sowie eine Magnesium-Platte getauscht werden. Während einem Praxistest sei ein Elektroauto laut Angaben des KIST-Teams um Cho Byung-won tatsächlich diese Strecke ohne Ladestopp gefahren (bei Lithium-Ionen-Batterien liegt der Spitzenwert derzeit bei rund 500 km). Eine Magnesium-Luft-Batterie enthält fünf Mal mehr Energie als eine Li-Io-Batterie von gleicher Größe.

Allerdings hat eine Magnesium-Anode einen niedrigen Reaktionseffizienzen und die Luft- Kathode eine langsame Reaktionsgeschwindigkeit. Um dieses Problem anzugehen, beschäftigt sich das KIST-Team mit verschiedenen Substanzen, welche die chemische Zusammensetzung der Magnesium-Anode und der Luft-Kathode verändern und Reaktionseffizienz wie auch Geschwindigkeit verbessern und die Energieabgabe verdoppeln. Mit Details darüber hält man sich bislang zurück. Da die Magnesium-Luft-Batterie zu diesem Zeitpunkt allerdings rund drei Mal so teuer ist wie herkömmliche Batterien, stehen bis zur Marktreife noch weitere umfangreiche Forschungen an.

Siehe auch unter Magnesium-Kupferchlorid-Batterie.

Magnesium-Schwefel-Batterie

Anfang 2011 wird gemeldet, daß der japanische Automobilkonzern Toyota an einer Magnesium-Schwefel-Batterie arbeitet, die doppelt so viel Energie enthalten soll, wie Lithium-Ionen-Zellen. Details gibt es nicht, das Projekt befindet sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium. Bekannt wird nur, daß das Unternehmen auch Aluminium, Natrium und Kalzium als potentielle Batteriematerialien betrachtet. Toyota schätzt zu diesem Zeitpunkt, daß seine Magnesium-Batterie frühestens 2020 zur Verfügung stehen wird.

Im August 2011 wird das erste Akku-System mit einer Magnesium-Anode und einer Schwefel-Kathode demonstriert. Hierbei stellte die Entwicklung des Elektrolyten eine besondere Herausforderung dar, da dieser weder inhibierende Schichten auf dem Magnesium bilden noch mit dem Schwefel der Kathode reagieren darf. Die bislang eingesetzten nukleophilien Substanzen verursachten nämlich einen schnellen Abbau der Schwefel-Kathode.

Die Entwicklung des Elektrolyten gelingt dem Forschungsteam des Toyota Research Insitute of North America (TRINA) in Michigan mit einem nicht-nukleophilen Organomagnesiumhalogenid namens Hexamethyldisilazan-Magnesiumchlorid und durch den Einsatz der Lewis-Säure Aluminiumchlorid (womit wohl nur ausgewiesene Chemiker etwas anzufangen wissen). Die Arbeiten führen jedenfalls zu einer elektrochemisch aktiven Substanz, aus der, wenn sie gelöst und kristallisiert wird, ein nicht-nukleophiler Elektrolyt entsteht, der in der Lage ist Schwefel mit Magnesium zu verbinden. Als nächste Hürden gelten nun das Verhindern der Auflösung des Schwefels sowie das Erreichen schneller Lade-/Entladezyklen.

Im Oktober 2012 ist zu erfahren, daß am TRINA inzwischen ein Anodenmaterial aus Zinn für den Einsatz in Magnesium-Ionen-Batterien entwickelt worden sei, das überlegene Betriebsspannungen und Kapazitäten zeigt. Frühere Versuche mit Wismut erwiesen sich dagegen als nicht so erfolgreich. Es ist allerdings nicht ganz klar, ob es sich hierbei tatsächlich um eine zweite Entwicklungslinie bei Toyota handelt, denn ein von Toyota im April 2010 eingereichtes Patent, das im Januar 2013 erteilt wird, betrifft einen Elektrolyten für eine Magnesium-Schwefel-Batterie (US-Nr. 8.354.193).

Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) wiederum meldet Anfang 2013, daß es einer Arbeitsgruppe um Maximilian Fichtner kürzlich erstmals gelungen sei, auf einfache Weise und mit einfachen Zutaten einen Elektrolyten für Magnesium-Schwefel Batterien herzustellen, welcher bis 3,9 V stabil ist. Damit soll nun auch die Entwicklung von Hochvoltkathoden für Magnesium-Batterien möglich werden (siehe auch unter Fluorid-Ionen-Batterie).

Magnesium-Wasser-Batterie

Eine entsprechende Primärzelle wird bereits 1926 von Günther Polcich aus Wien zum Patent angemeldet (US-Nr. 1.771.190, erteilt 1930). Das Magnesium dient bei Magnesium-Wasser-Batterien als Anode, zur Aktivierung wird Wasser als Elektrolyt hinzugefügt. Dieses Prinzip wird noch heute für Signallicht-Batterien bei Rettungswesten angewandt.

Bislang nicht verifizieren konnte ich ein 1962 angemeldetes und 1968 erteilte Patent der amerikanischen Firma Dow Chemical Company, das eine mit Wasser depolarisierte Hochleistungs-Primärbatterie betrifft, die Anodenmaterial aus Magnesium oder Magnesiumlegierungen verwendet.

Im Jahr 1966 meldet der Schweizer Erfinders Eduard ‚Edi’ Haas das Patent für eine Batterie an, die aus Magnesiumplatten und Karbon (Graphit) besteht, und die einen gleichmäßigen Strom abgibt, wenn Wasser eingefüllt wird, das mit Tafelsalz ergänzt wurde, um die elektrolytischen Eigenschaften zu verbessern (CH-Nr. 690.081, erteilt 2000).

Wegen Geldmangel kann er jedoch keinen internationalen Patentschutz beantragen. Sein großer Traum, dem Elektromobil auf der Basis von Leichtmetallbatterien zum Durchbruch zu verhelfen, bleibt jedoch unerfüllt. Haas war davon ausgegangen, daß eine rund 70 kg schwere Batterie ausreicht, um einen Mittelklassewagen anzutreiben.

Das entstehende umweltfreundliche flüssige Reaktionsprodukt Magnesiumhydroxid sollte etwa alle 8 Tage ausgetauscht werden, während neue Magnesiumplatten – je nach Fahrweise – etwa alle 1,5 Jahre fällig werden und um die 400 Franken kosten.

Die Zellen produzierten ungeachtet ihrer Größe eine Spannungsdifferenz von etwa 1,5 V, und da sie dies sofort tun, sobald ein flüssiger Elektrolyt zugegeben wird, wäre ihre korrekte Bezeichnung eigentlich galvanisches Element. Dabei ist zu bemerken, daß die Zellen nicht nur mit normalem Leitungswasser als Elektrolyt funktionieren, sondern auch mit Fruchtsaft, Bier, Urin, Meerwasser oder anderen Flüssigkeiten.

Haas setzt 13 seiner Magnesium-Wasser Batterien in ein Elektofahrzeug der Marke Skoda ein, das ursprünglich mit Blei-Säure-Akkus ausgestattet ist, und führt verschiedene Testfahrten durch, wobei der Motor mit einer Betriebsspannung von 84 V läuft und eine maximale Leistung von 15,4 kW erzielt.

Danach hat er der Erfinder, der bereits an die 700.000 Franken in sein Projekt gesteckt hat, jedoch keine Mittel mehr übrig, um die Zelle zur Feststellung der technischen Parameter einer offiziellen Prüfung zu unterziehen, außerdem ist seine Bank nicht willig, länger auf die ausstehenden Zahlungen für seine Hypothek zu warten und droht ihm mit Pfändung des Hauses. Und so verlieren sich die Spuren von Haas, obwohl sich im Netz diverse Berichte mit ausführlichen technischen Daten finden lassen.

Anfang bis Mitte der 1970er Jahre folgen mehrere Patentanmeldungen durch den Bolivianer Francisco Pacheco aus Hewitt, New Jersey, für einen Batteriegenerator, bei dem Magnesium-Elektroden und nichtreaktive Elektroden ständig mit Meerwasser umspült werden und der entstehende Wasserstoff, mit der richtigen Menge Luft vermischt, dem Vergaser eines normalen Verbrennungsmotors zugeführt wird (US-Nr. 3.648.668, erteilt 1972; US-Nr. 3.892.653, erteilt 1975). Pacheco soll verschiedene Prototypen gebaut und diese erfolgreich als Antrieb für sein Boot, auch ein Auto, ein Motorrad und zur Energieversorgung eines ganzen Hauses getestet haben. Mangels eigener Finanzen gelingt es ihm jedoch nicht, seine Erfindung auf den Markt zu bringen. Im Jahr 1992 erhält er zwar ein weiteres Patent (US-Nr. 5.089.107), doch weitere Spuren scheint es nicht zu geben.

Wie man die Magnesium-Technologie schnell, praktisch und sehr erfolgreich umsetzt, zeigt die französische Designerin Manon Leblanc aus Montreuil mit ihrer Tischlampe WAT, die im Januar 2011 den 1. Preis des CINNA – Maison Française Design-Wettbewerbs gewinnt.

Will man die Lampe in Betrieb nehmen, so reicht ein wenig Wasser aus, um mit dem integrierten, mit Magnesium beschichteten Kohlenstoffstab eine elektrochemische Reaktion in Gang zu setzen, die genügend Strom erzeugt um eine Reihe von LED-Streifen zum leuchten zu bringen. Im Juni 2012 erhält die Designerin auch noch den Déclics jeunes Preis der Fondation de France.

Noch mehr Presse bekommt die sogenannte Mixing Entropy Battery, die ein Forscherteam um Prof. Yi Cui von der Stanford University und Dr. Bruce Logan von der Penn State University entwickelt, und die erstmals im März 2011 in der Fachpresse veröffentlicht wird.

Die Batterie nutzt die Energie aus dem Unterschied zwischen dem Salzgehalt in Süß- und Meerwasser, beispielsweise an Flußmündungen. Bislang ging das nur mit dem Einsatz teurer Membranen, was eine industrielle Umsetzung lange Zeit verhindert hat (s.u. Osmose-Kraftwerk). Mit dem scheinbar einfachen Prozeß bei der Entropie-Batterie, die ohne auswechselbare Membranen auskommt, sollen die Kosten dagegen viel geringer sein.

Das neue Verfahren funktioniert, indem zwei Arten von Nanostäbchen-Elektroden in das Flußwasser gelegt werden, eine kationische Mangandioxid-Elektrode, die Na+ Ionen enthält, sowie eine anionische Silber-Elektrode, die Cl– Ionen enthält. Die Batterie lädt sich, wenn die geringe Salzkonzentration Flußwassers das Chlor und Natrium aus den jeweiligen Elektroden zieht. Im 2. Schritt wird das Flußwasser langsam durch Seewasser ersetzt, was zu einer Potentialdifferenz zwischen den beiden Ionen-Konzentrationen in dem Mischwasser führt, da die Cl– Ionen (Anionen) zur Silberelektrode, und die Na+ Ionen (Kationen) zur Mangandioxid-Elektrode wandern. Sobald die Elektroden im dritten Schritt mehr Ionen erhalten als sie aufnehmen können, entladen sich die Ionen aus den Elektroden in das Meerwasser. Nun wird im letzten Schritt das Salzwasser langsam wieder durch Flußwasser ersetzt, was die Potentialdifferenz der beiden Elektroden verringert und die Batterie auflädt. Da in Schritt 3 mehr Energie in das Salzwasser freigesetzt wurde, als benötigt wird, um die Batterie zu laden, sammelt und speichert der Akku die Energie, die sich aufgebaut hat, als sich die Ionen in und aus den Kristallgittern der Elektroden bewegt haben.

Das Team glaubt, durch eine nähere Anordnung und Verbesserung der Geometrie der beiden Elektroden den Wirkungsgrad von gegenwärtig 74 % auf bis zu 85 % steigern zu können. Da die Entropie-Batterie in warmen wie in kalten Bedingungen funktioniert, könnte sie letztlich zu einer Großenergieproduktion sowohl in den entwickelten als auch in den Ländern der Dritten Welt führen. Berechnungen zufolge könnte ein Süßwasserfluß von 40 m³ pro Sekunde bis zu 100 MW erzeugen. Eine kleine Anwendung wäre ein einfaches System zur Speicherung von Solarstrom. Dabei könnte ein geschlossener Solar-Destillierapparat frisches Wasser aus einer Salzlake verdunsten und damit eine Materialquelle bieten, um die Batterie zu entladen. Ein erster Prototyp zeigt mehr als 100 Zyklen ohne Leistungsverlust.

Im Juli 2012 berichtet das Stanford-Team um Prof. Yi Cui und Prof. Zhenan Bao von der Entwicklung eines elektrisch leitfähigen Gels, das sich wie biologische Gewebe anfühlt und verhält, aber Strom leitet wie ein Metall oder Halbleiter. Bevor sich die neue Substanz in ein Gel verwandelt, kann sie auch ausgedruckt oder als Flüssigkeit aufgesprüht werden. Die Forscher versprechen sich davon enorme Vorteile bei der Entwicklung neuer biologischer Sensoren und Energiespeicher. Geschaffen wird das Material, indem lange Ketten der organischen Verbindung Anilin zusammengebunden werden, wobei Phytinsäure eingesetzt wird, eine Substanz, die in vielen Pflanzengeweben die Hauptspeicherform von Phosphor darstellt. Durch die Fähigkeit der Säure, bis zu sechs Polymerketten auf einmal aufzugreifen, erlaubt es ein weit verknüpftes Netzwerk zu bilden.

Im Gegensatz zu den bislang handelsüblichen leitenden Polymeren, die einen gleichmäßigen Film ohne Nanostrukturen bilden, entsteht aus der Vernetzung des neuen Gels eine komplexe schwammartige Struktur. Die unzähligen winzigen Poren erweitern die Oberfläche des Gels, wodurch die Ladungsmenge steigt, die es aufnehmen kann, sowie die Schnelligkeit der elektrischen Reaktion. Und anders als die meisten Hydrogele, die durch eine Vielzahl von isolierenden Molekülen zusammengehalten werden, welche die Gesamtfähigkeit des Materials reduzieren, elektrischen Strom zu leiten, ist das neue Hydrogel hochleitfähig, da Phytinsäure ein kleinmolekulares Dotiermittel ist, das Polymerketten eine Ladung verleiht, wenn es sie verbindet. Vielleicht am wichtigsten ist, daß sich das Gel einfach und billig aus im Handel erhältlichen Zutaten produzieren läßt.

 

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