Forscher an der University of Illinois in Chicago und im Argonne National Laboratory haben eine neue Lithium-Luft-Batterie entwickelt, die auch in einer natürlichen Umgebung und nach rekordverdächtigen 750 Lade- / Entladezyklen funktioniert. Ihre Ergebnisse haben die Forscher in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
„Unser Lithium-Luft-Batterie-Design stellt eine Revolution in der Batterieforschung dar„, ist sich Amin Salehi-Khojin, Assistenzprofessor für Maschinenbau und Industrietechnik sicher. Von Lithium-Luft-Batterien wird angenommen, dass sie bis zu fünf Mal mehr Energie speichern können als Lithium-Ionen-Batterien, die fast alle unserer Smartphones, Laptops und Elektroautos mit Energie versorgen. Mit einer nur 60 Kilogramm schweren Lithium-Luft-Batterie könnte ein Elektroauto bis zu 500 Kilometer weit fahren. Aber einige Hindernisse haben ihre Entwicklung schwierig gemacht. Viele Forscher haben sie sogar als hoffnungslosen Fall betrachtet.
Denn bei Lithium-Luft-Batterien wird das in der Anode vorhandene Lithium mit Sauerstoff aus der Luft kombiniert, um während der Entladungsphase Lithiumperoxid an der Kathode zu erzeugen. Das Lithiumperoxid würde während der Ladephase in seine Lithium- und Sauerstoffkomponenten zerlegt werden. Unglücklicherweise konnten experimentelle Designs solcher Lithium-Luft-Batterien aufgrund der Oxidation der Lithiumanode und der Entstehung unerwünschter Nebenprodukte auf der Kathode, die sich aus der Kombination von Lithiumionen mit Kohlendioxid und Wasserdampf ergeben, nicht in einer echten natürlichen Luftumgebung arbeiten. Diese Nebenprodukte verkleben die Kathode, die schließlich vollständig beschichtet wird und nicht mehr funktionieren kann. Versuchsbatterien wurden deshalb meist in mit reinem Sauerstoff gefüllten Behältern getestet – was ihre Praktikabilität im Alltagseinsatz extrem einschränken würde und aufgrund der Entflammbarkeit von Sauerstoff ernsthafte Sicherheitsrisiken darstellt.
Problem gelöst? Im Labor ja
Das UIC-Argonne-Forschungsteam bewältigte diese Herausforderungen, indem es eine neue Kombination aus Anode, Kathode und Elektrolyt – den drei Hauptbestandteilen einer Batterie – verwendete, um Anodenoxidation und die Entstehung von Nebenprodukten an der Kathode zu verhindern. So soll der Akku auch in einer natürlichen Luftumgebung arbeiten können.
Die Forscher beschichteten die Lithiumanode mit einer dünnen Lithiumcarbonatschicht, die selektiv Lithiumionen von der Anode in den Elektrolyten eindringen lässt und gleichzeitig verhindert, dass unerwünschte Verbindungen die Anode erreichen. In einer Lithium-Luft-Batterie ist die Kathode dort, wo die Luft in die Batterie eintritt. In experimentellen Designs von Lithium-Luft-Batterien tritt Sauerstoff zusammen mit allen anderen Gasen, die unsere Luft enthält, durch eine kohlenstoffbasierte schwammartige Gitterstruktur in den Elektrolyten ein.
Salehi-Khojin und seine Kollegen beschichteten die Gitterstruktur mit einem Molybdändisulfatkatalysator und verwendeten einen einzigartigen Hybridelektrolyten aus ionischen Flüssigkeiten und Dimethylsulfoxid, einer gemeinsamen Komponente von Batterieelektrolyten, die dazu beitragen, Lithium-Sauerstoff-Reaktionen zu erleichtern und Lithiumreaktionen mit anderen Elementen zu minimieren.
„Die komplette architektonische Überarbeitung, die wir an dieser Batterie durch die Neugestaltung aller Teile vorgenommen haben, half uns, die Reaktionen zu ermöglichen, die wir erreichen wollten, und verhinderte oder blockierte diejenigen, die letztendlich zum Tod der Batterie führen würden“, so Salehi-Khojin.
Die weitaus größte Herausforderung allerdings steht den Forschern noch bevor: Bis eine neue Zelltechnologie tatsächlich den Sprung in den Massenmarkt schafft, vergehen von der Forschung bis zum Akkupack im Supermarkt oder dem Elektroauto Jahrzehnte. Lithium-Ionen-Akkus etwa wurden ab Anfang der 1970er erforscht und waren erstmals 1991 erhältlich und damals noch sehr teuer. Aber bis zum Jahr 2000 waren fast alle Laptops mit Lithium-Ionen-Akkus ausgestattet.
Quelle: Science Daily – New design produces true lithium-air battery
