Neuartige Elektrolyte sollen "luftiger Super-Batterie" zum Erfolg verhelfen

11. November 2014, 14:22
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Akkus speichern bis zu zehnmal mehr Energie als Lithium-Ionen-Batterien, doch noch kämpfen Forscher mit starkem Kapazitätsverlust

Graz - Wenn sich das Elektroauto durchsetzen soll, braucht es vor allen Dingen leichtere, günstigere und leistungsfähigere Akkus. Hoffnungsträger sind deshalb Lithium-Luft-Akkus, die potenziell zehnmal mehr Energie als Lithium-Ionen-Batterien speichern können. Die Technik hat allerdings einen Haken: Lithium-Luft-Akkus weisen einen starkem Kapazitätsverlust schon nach wenigen Ladezyklen auf. Grazer Forscher wollen dem Verfahren nun die Kinderkrankheiten mithilfe neuartige Elektrolyte austreiben.

Lithium-Luft-Batterien können theoretisch ein Vielfaches der Energiemenge heutiger Systeme speichern. Zudem komme die "luftige Super-Batterie" ohne teure und begrenzt verfügbare Metalle wie Kobalt, Nickel oder Mangan aus, so Stefan Freunberger vom Institut für Chemische Technologie von Materialien der TU Graz. Das große Manko der Metall-Luft-Batterien ist jedoch ihre geringe Lebensdauer. Beim Entladen verursachen elektrochemische Reaktionen an der Kathode und im elektrisch leitfähigen Elektrolyt nämlich irreversible Schäden, was dazu führt, dass sie schnell ihre Fähigkeit verlieren, wieder geladen zu werden.

Elektrolyt gibt den Ton an

Forscher der TU Graz haben nun in Zusammenarbeit mit den Universitäten St. Andrews, Oxford und Amiens sowie dem College de France den Entlademechanismus analysiert, denn die elektrochemischen Prozesse - die während des Auf- und Entladens der Batterie entstehen - sind aus materialwissenschaftlicher Sicht sehr komplex. Die Forscher erkannten, dass die tatsächliche Kapazität der Batterie deutlich von der Wahl des jeweiligen Elektrolyten abhängt, wie sie in der aktuellen Ausgabe von "Nature Chemistry" publizierten.

Lithium-Luft-Akkus nutzen Sauerstoff aus der Umgebung als Reaktionspartner. Im Grunde bestehen sie aus einer leitfähigen Elektrolytlösung und zwei Elektroden: Einer Anode aus Lithium und einer sauerstoffdurchlässigen Elektrode aus einer leichten Kohlenstoffstruktur, der Kathode. Während des Entladevorgangs verbinden sich die Lithium-Ionen der Anode über die wasserfreie organische Flüssigkeit (aprotischer Elektrolyt) mit Sauerstoff - über eine Zwischenstufe von Superoxid - zu Lithiumperoxid. Dieses setzt sich an der Kathode ab. Bei dieser Reaktion werden Elektronen freigesetzt, die als elektrische Energie z. B. zum Betreiben eines Elektroautos genutzt werden können. Beim Aufladen bricht das Lithiumperoxid über eine Zwischenstufe in Sauerstoff und Lithium auf, das sich an der Anode anlagert.

Angriff auf die Kathode vermindert Wiederaufladbarkeit

Durch die Reaktion mit Sauerstoff wird aber auch die Kathode angegriffen, was die Wiederaufladbarkeit der Batterie vermindert. Hier habe sich in Versuchen gezeigt, das die Kapazität der Batterie umso besser ist, desto löslicher die Zwischenstufe während des Entlademechanismus ist. "Wir haben herausgefunden, dass die sogenannte Donorzahl des Elektrolyten der springende Punkt für die Löslichkeit ist. Sie definiert, wie sehr sich das Salz im Elektrolyten lösen kann", schilderte Freunberger. Hohe Donorzahlen hätten beispielsweise Sulfoxide oder die Stickstoffverbindung Imidazol.

Mit der neuen Erkenntnis werde das theoretische Gerüst der Lithium-Luft-Batterie noch fundierter, betonte der Grazer Forscher. "Nun können wir die Lithium-Luft-Batterie zielgerichteter erforschen", sagte Freunberger. (APA/red, derStandard.at, 11.11.2014)

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