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China entwickelt bahnbrechende Lithium-Luft-Batterie (Symbolfoto)
China entwickelt bahnbrechende Lithium-Luft-Batterie
Lithium-Luft-Batterien wird ein großes Potenzial zugeschrieben, da sie enorme Mengen Energie speichern können. Sie können sehr hohe Energiedichten erreichen und ein vergleichsweise niedriges Gesamtgewicht.
Allerdings gelten Lithium-Sauerstoff-Akkus (LiO2) als schwer umsetzbar, da sie mit einer Reihe von Problemen konfrontiert sind - etwa eine kurze Lebensdauer, theoretische Leistungsgrenzen und mögliche Überspannung.
Ein Forschungsteam der Dalian Institute of Chemical Physics der Chinese Academy of Sciences hat nun einige dieser Herausforderungen durch neue Ansätze meistern können.
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Wie funktionieren Lithium-Luft-Akkus?
Solche Lithium-Sauerstoff-Batterien verwenden Lithium und Sauerstoff als Elektroden. Anstatt Lithium-Ionen zwischen den Elektroden hin und her zu transportieren, nutzen LiO2-Akkus eine Anode aus metallischem Lithium. Am entgegensetzten Pol befindet sich eine poröse Kathode.
Bei der Entladung reagiert dort der Sauerstoff und erzeugt Lithiumperoxid (Li2O2). Der Prozess wird beim Laden umgekehrt. Dabei kehren die Lithium-Ionen als metallisches Lithium zurück und Sauerstoff wird freigesetzt.
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Probleme von LiO2-Akkus
Allerdings gehen das Erzeugen und der Zerfall des Lithiumperoxids nur sehr langsam über die Bühne und deren Leitfähigkeit ist nicht besonders hoch. Gleichzeitig verstopfen die Poren an der Kathode, durch die der Sauerstoff strömt, häufig.
Außerdem zersetzt die hohe Spannung, die bei der Funktionsweise dieser Prozesse notwendig ist, den Elektrolyten. Das führt dazu, dass die Lebensdauer der LiO2-Batterien sehr gering ist und sie schon nach wenigen Ladezyklen wesentliche Teile ihrer Leistung verlieren.
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© Dalian Institute of Chemical Physics
Ein bisschen Salz hilft weiter
Die chinesischen Forscher haben nun versucht, mit der Zugabe von neuartigen Materialien die Leistung und Lebensdauer solcher LiO2-Akkus zu erhöhen. Sie verwendeten ein Imidazolyl-Iodid-Salz (1,3-Dimethylimidazolium-Iodid, DMII) als Redox-Mediator und Katalysator.
Eine entscheidende Rolle spielen dabei die Iodid-Ionen des Salzes. Sie beschleunigen nämlich die chemischen Reaktionen bei Bildung und Zersetzung des Lithiumperoxid. Dadurch soll auch die Überspannung bei der Kathode verringert werden.
Die Ionen des Salzes sind in der Lage, bei der Entladung die Lithium-Ionen einzufangen und sie an der Kathode besonders effizient auf den Sauerstoff zu übertragen. Außerdem werden die Nebenreaktionen im Elektrolyten unterbunden, wodurch sich zusätzlich die Lebensdauer erhöhen soll.
Damit konnte eine Zyklusstabilität von 960 Stunden bei einer sehr niedrigen Spannung von 0,52 Volt erreicht werden. Die Lithiumperoxid-Ausbeute soll laut dem Forschungsteam 95,8 Prozent betragen. Die Ergebnisse sind im Wiley Online Journal veröffentlicht worden.
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