Neues Konzept für Lithium-Luft-Batterien

Forschungsvorhaben soll Stabilität der neuartigen Akkus verbessern

09.05.2023 - Deutschland

Sie können bei gleichem Gewicht theoretisch zehnmal so viel Energie speichern wie herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus, sind aber bislang chemisch noch nicht stabil genug: Sogenannte Lithium-Luft-Batterien, auch Lithium-Sauerstoff-Batterien genannt, gelten als mögliche Hochenergie-Stromspeicher der nächsten Generation. Ein neues Forschungsvorhaben, an dem Forschende der Universität Oldenburg um den Chemiker Prof. Dr. Gunther Wittstock beteiligt sind, erprobt nun ein neues Konzept, um die Lebensdauer der 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. Das Bundesforschungsministerium fördert das Projekt über drei Jahre mit insgesamt rund 1,1 Millionen Euro.

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. Der große Vorteil: Sie können pro Kilogramm fast so viel Energie speichern wie fossile Kraftstoffe. 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. „Bis dahin sind allerdings noch eine Reihe technischer Probleme zu bewältigen“, sagt Wittstock. Eins davon ist, dass es bislang noch keine Elektrolytflüssigkeiten gibt, die sowohl an der positiven als auch an der negativen Elektrode chemisch stabil sind. Solche elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten befinden sich in Batterien zwischen den beiden Elektroden.

Im Fall von Lithium-Luft-Batterien 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.

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. Projektkoordinator Dr. Thomas Schubert von IOLITEC berichtet: „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.

Das Oldenburger Team um Wittstock untersucht die Vorgänge auf der Oberfläche des Separators und der Elektroden mit verschiedenen Verfahren, darunter Oberflächenspektroskopie und elektrochemische Rastermikroskopie (SECM). Die Entwicklung der Trennschicht übernimmt IOLITEC gemeinsam mit einem Team des MEET Batterieforschungszentrums der Universität Münster, das von Verena Küpers geleitet wird. „Wir testen verschiedene Beschichtungen, die speziell an die Herausforderungen der jeweiligen Elektrode angepasst sind“, erklärt Küpers. Das MEET Batterieforschungszentrum führt außerdem Testmessungen durch. 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“, erläutert Fenske. Am Ende wollen die Forschenden mit einem Prototyp den Nachweis erbringen, dass sich grundsätzlich ein stabiles, wiederaufladbares Gesamtsystem realisieren lässt. Geplant ist der Bau einer Flachzelle mit einer Fläche von 25 Quadratzentimetern.

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