Lithium-Luft-Akku mit 2000 Ladezyklen

  • 29. October 2015

Prototyp mit Graphen-Elektrode löst gravierende Probleme der theoretisch effizientesten Batterie – Serienreife in zehn Jahren vorstellbar.

Mit einer spezifischen Energiedichte von über 5000 Wattstunden pro Kilogramm überflügeln Lithium-Luft-Akkus verfügbare Lithium­ionen-Batterien um ein Vielfaches. Mühelos könnten diese Stromspeicher Elektro­autos Reichweiten von über 800 Kilometer bescheren und Laptops müssten nur noch einmal pro Woche an die Steckdose. Doch kein Prototyp hielt in den Laboren bisher länger als einige Dutzend Ladezyklen. Zudem stellte die mäßige Energie­effizienz die Entwickler vor Probleme. Diese Nachteile konnte nun eine britische Arbeits­gruppe um Clare Grey von der University of Cambridge beseitigen. Doch serienreif ist ihr Prototyp leider noch nicht.

Abb.: Mikroskopaufnahme der Graphenoxid-Elektrode mit Schema der elektrochemischen Speicherreaktion (Bild: T. Liu, C. Grey, G. Bocchetti)

Abb.: Mikroskopaufnahme der Graphenoxid-Elektrode mit Schema der elektrochemischen Speicherreaktion (Bild: T. Liu, C. Grey, G. Bocchetti)

In einem Lithium-Luft-Akku wandern Lithiumionen von einer Lithium-Anode durch einen Elektrolyten zur Kathode und reagieren dort mit Sauerstoff zu Lithiumoxid. Bei diesem Prozess können große Strommengen abgegeben und umgekehrt beim Aufladen wieder gespeichert werden. Doch bisher wurden Poren in der Elektrode allzu schnell von Lithium­oxid-Kristallen verstopft und die Diffusion von Sauerstoff und Lithiumionen schnell unterbunden. Nach enttäuschend wenig Ladezyklen sackte die Speicher­kapazität der bisherigen Lithium-Luft-Systeme ab.

Grey und Kollegen konnten diese Schlüssel­probleme mit einer Elektrode aus porösen Kohlen­stoff­schichten aus Graphenoxid und dem Zusatz von Lithium­jodid und Wasser beseitigen. Wegen des Zusatzes von Lithium­jodid und etwas Wasser liefen in der neuen Akkuzelle etwas veränderte elektro­chemische Reaktionen ab. Beim Entladen bildete sich Lithium­hydroxid statt Lithiumoxid, das beim Laden deutlich leichter wieder Lithiumionen bereit stellen konnte. Wichtig war dabei der poröse Aufbau der Graphenoxid-Elektrode, auf der sich Lithium­hydroxid in groben Flocken absetzte. Analysen mit einem Raster­elektronen­mikroskop und NMR-Spektren von der Kathode bestätigten, dass sich bevorzugt Lithium­hydroxid und kaum Lithiumoxid gebildet hatte.

Der Umweg der Reaktion von Lithium und Sauerstoff über einen Zwischenschritt mit Lithiumjodid senkte die Differenz zwischen Lade- und Entlade­spannung auf nur 200 Millivolt ab. Bei dieser zusätzlichen Redox-Reaktion wurden Jodidionen (I-) zu I3- oxidiert respektive umgekehrt reduziert. Dank des verfügbaren Wassers konnten sich über diesen Zwischenschritt die lockeren und dadurch durchlässigen Flocken aus Lithiumhydroxid auf der Kathode bilden. Der Einsatz von Lithiumjodid hatte den weiteren Vorteil, dass dieser Prototyp eine sehr hohe Energieeffizienz von 93,2 Prozent bei einer spezifischen Energiedichte von 5760 Wh/g erreichen konnte.

Abb.: Mehrere Prototypen im Labor der University of Cambridge (Bild: T. Liu, C. Grey, G. Bocchetti)

Abb.: Mehrere Prototypen im Labor der University of Cambridge (Bild: T. Liu, C. Grey, G. Bocchetti)

Da für die Bildung von Lithiumhydroxid statt Lithiumoxids auch Wasser bei der elektrochemischen Reaktion beteiligt war, zeigte sich der Prototyp ungewöhnlich stabil gegen sonst störende Feuchte. Insgesamt funktionierte der neue Akku zuverlässig über 2000 Ladezyklen und nahm damit eine wesentliche Hürde auf dem Weg zur Einsatzreife. Allerdings schöpften Grey und Kollegen bei diesen Versuchen die spezifische Kapazität mit Werten von bis zu 8000 mAh/g nicht völlig aus. Bei höheren Kapazitäten von mehr als 20.000 mAh/g verlor die Batterie bereits nach 40 Ladezyklen die guten Speicher­eigenschaften.

„Allerdings konnten wir noch nicht alle Probleme lösen“, dämpft Clare Grey allzu euphorische Hoffnungen. Denn der Prototyp wurde bisher nur mit reinem Sauerstoff und nicht mit Luft betrieben. Der Grund: Stickstoff, Kohlendioxid und andere in der Luft enthaltene Gase hätten zu weiteren unerwünschten Reaktionen geführt, die den Akku schnell zerstört hätten. Auch Sicherheits­aspekte wie durch das Kristallwachstum auf der Elektrode mögliche Kurzschlüsse und Akkubrände, unter denen vor einigen Jahren auch Lithiumionen-Akkus litten, ließen sich bisher nicht berücksichtigen.

Dennoch sind die Akkuforscher um Clare Grey optimistisch, dass sich etwa bis Mitte des kommenden Jahrzehnts einsatzreife Lithium-Luft-Akkus entwickeln lassen. Das Vielfache an Speicher­kapazität könnte dann sogar zu einem Bruchteil heutiger Kosten möglich werden. Sollte diese aus heutiger Sicht sehr ehrgeizige Prognose zutreffen, böten Elektroautos nicht nur eine klimafreundliche, sondern auch günstigere Mobilität. Zudem könnten schnelle Stromspeicher aus Lithium-Luft-Akkus überschüssigen Wind- und Solarstrom effizient zwischen­speichern und die Basis für eine vollständig regenerative Strom­versorgung legen. Laptops und Smartphones, die dann mehrere Tage mit einer Akkuladung durchhielten, wären nur eine komfortable Begleit­erscheinung.

Jan Oliver Löfken

DE

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