Kurzbeschreibung
Die Magnesium-Ionen-Batterie (MIB) ist eine vielversprechende Technologie, die für stationäre Energiespeicheranwendungen potenziell höhere Energiedichten bei geringeren Kosten als Lithium-Ionen-Batterien erreichen kann. Dies ist aufgrund des natürlichen Vorkommens, der geringen Kosten, der Umweltverträglichkeit und der elektrochemischen Eigenschaften von Magnesium (Mg) möglich. Das größte Hindernis für die Weiterentwicklung von MIB ist jedoch die Inkompatibilität der Mg-Metallanode mit herkömmlichen Elektrolytlösungen (z. B. Mg(TFSI)2 in Glymes). Solche Lösungen zersetzen sich an der Oberfläche des metallischen Mg und bilden eine Passivierungsschicht, welche die Mg2+-Diffusion sowie den Elektronentransport behindert.
In MAGNIFICO soll ein sicherer und nachhaltiger nasschemischer Ansatz zur Entwicklung eines Anodenmaterials der Generation 5 entwickelt werden, bei dem eine schützende intermetallische Grenzphase auf der Oberfläche der Mg-Metallpulverpartikel gebildet wird. Diese Beschichtung hat die Funktion, die Zersetzung des Elektrolyten und die Mg-Passivierung zu verhindern und gleichzeitig die Diffusionsfähigkeit der Mg2+-Kationen zu bewahren. Mit Hilfe einer neuartigen Eintopf-Synthesemethode unter Verwendung umweltfreundlicher Säurelösungen wird die Oxidschicht von der Mg-Pulveroberfläche unter inerter Atmosphäre entfernt. Gleichzeitig werden Bi- und/oder Sn-basierte Präkursoren mit der frischen Mg-Oberfläche reagieren, was zur Bildung einer intermetallischen Mg-X-Grenzphase führen wird.
Experimentelle Methoden kombiniert mit computergestützten Simulationen und Modellierungsansätzen (Dichtefunktionaltheorie (DFT)- und Machine Learning Potentiale (MLP)) werden synergetisch angewandt, um die Eigenschaften der intermetallischen Grenzphase ausführlich charakterisieren zu können. Mikroskopische (Rasterelektronenmikroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie), spektroskopische (Röntgenphotoelektronenmikroskopie, Raman- und Infrarotspektroskopie), diffraktometrische (Röntgendiffraktometrie) und elektrochemische Methoden (galvanostatische Zyklisierung, elektrochemische Impedanzspektroskopie und zyklische Voltammetrie) werden angewandt, um die Zusammensetzung, die Morphologie, die Transporteigenschaften und die Stabilität der schützenden Grenzphase nach der Synthese sowie bei verschiedenen Ladezuständen (ex-situ) und während des Zellbetriebes (in-situ) zu untersuchen. Es werden DFT- und MLP-Berechnungen durchgeführt, um mechanistische und molekulare Einblicke in die intermetallischen Interphasen unter rechnerisch idealen (0 K) sowie realistischen (Raumtemperatur) Bedingungen zu gewinnen. Phasenstabilität und -energetik, Defektchemie, Defektbildungsenergien und Transporteigenschaften werden im Rahmen der Modellierungsarbeit berechnet.
Durch die gezielte Kombination von computergestützten und experimentellen Ansätzen zum Materialdesign wird MAGNIFICO innovative Strategien zur Entwicklung von Mg-Pulveranoden entwickeln und die MIB über den Stand der Technik hinausbringen. Der TRL-Wert zu Beginn des Projekts beträgt 1, da Grundlagenforschung und umfangreiche experimentelle Arbeiten erforderlich sind, um die Oberfläche der Mg-Metallpartikel mit einer schützenden intermetallischen Grenzphase zu versehen. Außerdem werden beträchtliche Rechenressourcen benötigt, und es werden zum ersten Mal Machine Learning Potentiale zur Durchführung von hochkomplexen atomistischen Berechnungen für Mg-Batterieanodenmaterialien entwickelt und eingesetzt. Am Ende von MAGNIFICO wird eine oberflächenbearbeitete Mg-Pulveranode unter Verwendung einer Hochspannungs-Kathode aus dem niedrigkritischen Rohstoff MgMn2O4- Material in eine umweltverträgliche 3-V-Mg-Ionen-Batterie für stationäre Energiespeicheranwendungen integriert. Es wird erwartet, dass die geschützte Mg-Pulveranode lange Zelllebensdauern ( über 4000 Zyklen) erreicht und damit den derzeitigen Stand der Technik für MIB übersteigt. Am Ende von MAGNIFICO wird daher ein TRL von 3 durch den Aufbau eines 3,0-V-Konzeptnachweises erreicht werden. Die in MAGNIFICO entwickelten innovativen Strategien werden es auch ermöglichen, die Mg-Pulveranode mit konventionellen Techniken aus der LIB- Produktion zu verarbeiten und somit die bereits entwickelte LIB- Infrastruktur in Europa zu nutzen.