„Ultimativer Akku”: Lithium-Luft-Batterie ein Schritt näher zur Serienreife

Lithium-Luft-Batterien werden in Fachkreisen als der „ultimative Akku“ gehandelt. Denn theoretisch können sie eine ähnliche Energiedichte wie Benzin erreichen, d.h. etwa 11.000 Wattstunden pro Kilogramm. Praktisch liegt ihre optimale Energiedichte derzeit im Labor bei rund 500 Wattstunden pro Kilogramm, was immerhin rund doppelt so viel ist wie die von klassischen Lithium-Ionen-Akkus. Allerdings gibt es noch große Schwierigkeiten bei Lebensdauer, Geschwindigkeit und Skalierbarkeit.

Ein Forschungsteam des National Institute for Materials Science in Japan hat die Technologie kürzlich einen Schritt näher an die Serienreife gebracht. Durch eine neuartige Elektrode aus porösem Kohlenstoff konnten sie ihre Lithium-Luft-Batterie in allen 3 Aspekten verbessern.

Poröse Elektrode mit Vor- und Nachteilen

Die Materialwissenschaftler und -wissenschaftlerinnen haben ihre Erkenntnisse im Fachblatt Cell Reports Physical Science vorgestellt. Demnach ist die Kohlenstoff-Elektrode das wesentliche Element, um Lithium-Luft-Batterien entscheidend weiterzuentwickeln.

Wenn man deren Oberfläche durch Poren vergrößert, steigert das zwar die Gesamtkapazität. Wegen dieser Struktur kann allerdings auch mehr Elektrolyt nötig werden, was sich wiederum negativ auf die Energiedichte auswirkt.

➤ Mehr lesen: China entwickelt bahnbrechende Lithium-Luft-Batterie

Weniger Mikroporen

Die Forscherinnen und Forscher entwickelten daher eine Kohlenstoff-Membran mit optimierter Poren-Größe. Sie reduzierten einerseits die Anzahl an Mikroporen, die während des Entladens ohnehin inaktiv bleiben.

Andererseits strukturierten sie Mesoporen mit einem Durchmesser von 2 – 50 Nanometern, und die noch größeren Makroporen in einem hierarchischen Netzwerk. Das unterstützt effektive elektrochemische Reaktionen. Zur Einordnung: Die DNA-Helix hat einen Durchmesser von rund 2 Nanometern, ein Hepatitis-C-Virus misst etwa 50 Nanometer.

➤ Mehr lesen: Günstige Membran extrahiert Lithium aus Meerwasser

Herstellungsprozess vereinfacht

Zusätzlich machten sie die Elektrode widerstandsfähiger gegenüber Abnutzung als bisherige. Dafür verarbeiteten sie den Kohlenstoff bei 2.100 Grad Celsius, sodass dessen Struktur kristalliner wurde.

Das Forschungsteam entwickelte außerdem einen Herstellungsprozess, der Elektroden in der Größe von 10 x 10 Zentimetern ermöglicht. Das biete eine gute Voraussetzung zur Skalierung auf zukünftige Produktion in größerem Maßstab.

Test-Batterie im Labor

Ihre Test-Batterie, bestehend aus 6 Kohlenstoff-Elektroden à 4 x 4 Zentimeter, fasste 1,02 Wattstunden und verhielt sich im Entladungsprozess stabil. Die Energiedichte lag damit allerdings nur bei 130 Wattstunden pro Kilogramm.

➤ Mehr lesen: Microcars könnten durch neue Holzbatterie angetrieben werden

Bei optimierter Zellkonfiguration seien allerdings über 700 Wattstunden pro Kilogramm möglich, wie die Forscherinnen und Forscher errechneten. Die Test-Batterie funktionierte für 19 Be- und Entladungs-Zyklen zuverlässig, erst beim 20. Mal nahm die Spannung stark ab. Bis zur Marktreife von Lithium-Luft-Batterien wird es noch Jahre dauern.