Durchbruch bringt Auftrieb für Lithium-Sauerstoff-Akkus

Lithium-Sauerstoff-Akkus könnten bei gleicher Größe viel mehr Energie speichern als heutige Lithium-Ionen-Akkus. Das ist schon lange bekannt. Die Forschung ist einer Markteinführung bislang aber kaum nähergekommen, weil es einige schwierige Hürden zu überwinden gibt. Jetzt haben Wissenschaftler vom MIT einen Prototypen konstruiert, der einen völlig neuen Ansatz verfolgt und viele Probleme löst. Statt den Sauerstoff für die chemischen Reaktionen im Akku aus der Luft zu gewinnen, wird er in festen chemischen Verbindungen in den Kathoden eingebaut. Der Sauerstoff wird als Li₂O, Li₂O_{2 und} LiO₂ in Form von winzigen Partikeln in einem Gitter aus Kobaltoxid eingebettet, das auch als Katalysator wirkt. Die nur wenige Milliardstel Meter großen Kügelchen erlauben es dem Sauerstoff und dem Lithium beim Laden und Entladen des Akkus zu reagieren. Dabei kann der Sauerstoff zwischen seinen drei Redoxstufen wechseln, ohne je in die Gasphase überzugehen.

Großes Potenzial

Damit lassen sich die Akkus als geschlossene Systeme realisieren, die mit heutigen Akkus kompatibel sein können, sowohl in der Produktion als auch in der Anwendung. Ein Problem mit Lithium-Luft-Akkus war bislang, dass die abgegebene Spannung um 1,2 Volt niedriger lag als die nötige Ladespannung. "30 Prozent der zum Laden nötigen elektrischen Energie wurde in Form von Wärme verschleudert", sagt MIT-Forscher Ju Li, Leiter der MIT-Forschungsgruppe, in einer Aussendung. Mit dem neuen Ansatz ist die Ladespannung nur noch um 0,24 Volt höher, es gehen nur acht Prozent der Energie als Wärme verloren. "Damit lassen sich Autobatterien schneller laden, weil die Wärme kein so großes Sicherheitsrisiko darstellt", sagt Li. Ein weiteres Problem bei bisherigen Konzepten war, dass der Sauerstoff erst mit klobigen und teuren Zusatzsystemen im Akku von Kohlendioxid und Wasserdampf befreit werden musste, da beide Stoffe Schäden in den Zellen anrichten. Das fällt in der geschlossenen Variante weg.

Zudem können keine Schäden durch den Phasenwechsel von Sauerstoff im System auftreten. Eine Überladung ist bei dem Prototypen ebenfalls nicht möglich, weil die kritische chemische Reaktion bei erreichen der vollen Kapazität von selbst stoppt. Im Labor hat eine Zelle nach 120 Lade- und Entladezyklen zwei Prozent ihrer Kapazität verloren. Die neuartigen Kathoden sind viel leichter als heute verfügbare und können bereits im Prototyp doppelt so viel Energie pro Gewichtseinheit speichern. Dieser Wert könnte laut Li mit Optimierungen nochmals verdoppelt werden. Die theoretische Kapazität der Kathode wird mit 1.331 Amperestunden pro Kilogramm angegeben, wie in der Nature-Veröffentlichung der Forscher zu lesen ist. Für den Prototyp haben die Forscher sehrgünstige Elektrolyte verwendet, die in heutigen Akkus zu finden sind. Das neue System ist laut Li "einfacher skalierbar, billiger und viel sicherer" als andere Lithium-Sauerstoff-Konzepte. Innerhalb eines Jahres soll die erste Laborzelle zu einem Prototypen in vermarktbarer Form weiterentwickelt werden.