Lithium-Luft-Batterien

Sogenannte Lithium-Luft-Batterien, auch Lithium-Sauerstoff-Batterien genannt, gelten als mögliche Hochenergie-Stromspeicher der nächsten Generation. Der große Vorteil ist ihre Energiedichte: Sie können pro Kilogramm fast so viel Energie speichern wie fossile Kraftstoffe und bei gleichem Gewicht theoretisch zehnmal so viel Energie speichern wie herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus. Bei vergleichbarer Speicherkapazität hätten sie daher nur einen Bruchteil des Gewichts aktueller Akkus und wären daher für den Einsatz in Elektroautos attraktiv, aber auch für stationäre Speicher. Sie sind aber chemisch noch nicht stabil genug.

Lithium-Luft-Batterien funktionieren grundsätzlich wie herkömmliche Batterietypen, wobei die Reaktion von Lithium-Ionen mit Sauerstoff aus der Luft an der positiven Elektrode dazu dient, einen Stromfluss zu erzeugen.

Vorgang im Detail:

• Im Fall von Lithium-Luft-Akkus besteht eine Elektrode aus metallischem Lithium, die andere – die sogenannte Gasdiffusionselektrode – aus einer porösen Verbindung, an der Sauerstoff (O₂) aus der Luft reduziert wird.
• Beim Entladen der Batterie bewegen sich positiv geladene Lithium-Ionen durch die Elektrolytflüssigkeit zur anderen Elektrode, wo sie sich mit Sauerstoff und Elektronen aus dem externen Stromkreis zu Lithiumoxid verbinden.
• Dabei fließt ein elektrischer Strom, der Energie für elektrische Geräte liefert. Beim Laden der Batterie trennen sich Lithium und Sauerstoff wieder, Ionen und Elektronen wandern in die umgekehrte Richtung.

Ein neues Forschungsvorhaben, an dem Forschende der Universität Oldenburg um den Chemiker Prof. Dr. Gunther Wittstock beteiligt sind, erprobt seit 2023 ein neues Konzept, um die Lebensdauer von Lithium-Luft-Batteriezellen zu erhöhen.

Das Projekt „Alternative Materialien und Komponenten für aprotische Lithium/Sauerstoff-Batterien: Chemie und Stabilität der Inaktiv-Komponenten – AMaLiS 2.0“ wird vom Unternehmen IOLITEC Ionic Liquids Technologies aus Heilbronn geleitet.

Weitere Beteiligte sind das MEET Batterieforschungszentrum der Universität Münster und das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Bremen. Am Fraunhofer IFAM kümmern sich Forschende um Dr. Daniela Fenske um die Herstellung einer neuartigen Gas-Diffusions-Elektrode aus nanostrukturiertem Titancarbid. Sie soll mit einer speziellen Membran kombiniert werden, die das Eindringen störender Luftbestandteile wie Kohlendioxid oder Wasserdampf in die Zelle verhindert.

Um die Stabilität der Lithium-Luft-Batterie zu erhöhen, setzt das Team auf eine trennende Membran zwischen der positiven und der negativen Elektrode. Auf diese Weise könnten unterschiedliche Elektrolyte auf beiden Seiten verwendet werden.

Dies würde die Auswahlmöglichkeiten für die Elektrolyte deutlich erweitern. Die Forschenden wollen einen beidseitig beschichteten Separator erproben, der sowohl die Lithiumelektrode als auch die Gasdiffusionselektrode schützt.

Eine wesentliche Einschränkung von Lithium-Sauerstoff-Batterien sind zudem hohe Überspannungen während des Ladevorgangs. Dies bedeutet, dass die zum Aufladen der Batterien benötigte Spannung erheblich ansteigt, was einen geringen Wirkungsgrad zur Folge hat. Prof. Dr. Francesco Ciucci von der Universität Bayreuth und Forschungspartner in China erstmals die Ursachen für diese Überspannungen identifiziert und erklärt.

Zu den Faktoren, die ursächlich an den Überspannungen beteiligt sind, gehören insbesondere die Langzeitkinetik der Oxidation von Lithiumperoxid (Li₂O₂) und die Oberflächenpassivierung durch Lithiumcarbonat (Li₂CO₃).