Lithium-Luft-Batterie könnte den Markt für Elektromobilität revolutionieren

Eine neue, in den USA entwickelte Lithium-Luft-Batterie könnte es ermöglichen, mit einer einzigen Ladung mehr als tausend Kilometer zurückzulegen und eines Tages Inlandsflugzeuge und Langstrecken-Lkw zu betreiben. Der Hauptbestandteil dieser Batterie ist ein fester Elektrolyt anstelle der üblichen Flüssigkeit. Batterien mit Festelektrolyten unterliegen nicht dem Sicherheitsproblem der in Lithium-Ionen- und anderen Batterietypen verwendeten flüssigen Elektrolyte, die überhitzen und Feuer fangen können. Noch wichtiger ist, dass die Batteriechemie des Teams mit dem Festelektrolyten die Energiedichte gegenüber Lithium-Ionen-Batterien um das Vierfache erhöhen kann, was zu einer größeren Reichweite führt, heißt es in der in Science veröffentlichten Forschungsarbeit. Mit 65 Prozent der weltweiten Lithiumreserven können Argentinien, Bolivien und Chile, die das „Dreieck des weißen Goldes“ bilden, von neuem Wohlstand träumen. Die weltweit steigende Nachfrage nach diesem Mineral begünstigt diese südamerikanischen Staaten: Der Preis für eine Tonne Lithium ist zwischen 2021 und 2022 von 6.400 auf 45.000 Euro gestiegen.

„Seit mehr als einem Jahrzehnt haben Wissenschaftler in Argonne und anderswo Überstunden gemacht, um eine Lithiumbatterie zu entwickeln, die Sauerstoff aus der Luft nutzt“, erklärte Larry Curtiss, ein Wissenschaftler am Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums, der an der Forschung beteiligt war. „Die Lithium-Luft-Batterie hat die höchste vorhergesagte Energiedichte aller Batterietechnologien, die für die nächste Generation von Batterien nach der Lithium-Ionen-Batterie in Betracht gezogen werden.

Innovation bei Lithium

Bei früheren Ausführungen dieser Batterien bewegt sich das Lithium in einer Lithium-Metall-Anode durch einen flüssigen Elektrolyten, um sich während der Entladung mit Sauerstoff zu verbinden, wobei an der Kathode Lithiumperoxid (Li2O2) oder Superoxid (LiO2) entsteht. Das Lithiumperoxid oder -superoxid zerfällt beim Aufladen in seine Bestandteile. Diese chemische Sequenz speichert Energie und gibt sie bei Bedarf wieder ab. Der neue Festelektrolyt des Geräts besteht aus einem keramischen Polymermaterial, das aus relativ preiswerten Elementen in Form von Nanopartikeln besteht. Dieser neue Feststoff ermöglicht chemische Reaktionen, die bei der Entladung Lithiumoxid (Li2O) erzeugen. „Bei der chemischen Reaktion von Lithium-Superoxid oder Lithium-Peroxid sind nur ein oder zwei gespeicherte Elektronen pro Sauerstoffmolekül beteiligt, bei der von Lithiumoxid dagegen vier“, erklärt der Argonne-Chemiker Rachid Amine. Mehr gespeicherte Elektronen bedeuten eine höhere Energiedichte. Es ist die erste Batterie ihrer Art, die eine Vier-Elektronen-Reaktion bei Raumtemperatur erreicht. Darüber hinaus wird sie mit Sauerstoff aus der Umgebungsluft gespeist. Dadurch, dass sie mit Luft betrieben werden kann, sind keine Sauerstofftanks erforderlich, was bei früheren Entwürfen ein Problem darstellte.

Das Team setzte viele verschiedene Techniken ein, um festzustellen, dass tatsächlich eine Vier-Elektronen-Reaktion stattfand. Eine Schlüsseltechnik war die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) der Entladungsprodukte auf der Kathodenoberfläche, die am Argonne Nanoscale Materials Centre durchgeführt wurde. Die TEM-Bilder lieferten wertvolle Informationen über den Vier-Elektronen-Entladungsmechanismus. Frühere Testbatterien, bei denen diese Komponenten verwendet wurden, hatten sehr kurze Lebenszyklen. Das Team hat bewiesen, dass sein neues Batteriedesign diesen Nachteil nicht hat, indem es eine Testzelle gebaut und 1.000 Zyklen lang betrieben hat, um die Stabilität bei wiederholtem Laden und Entladen zu demonstrieren. „Wir erwarten, dass unser neues Batteriedesign bei weiterer Entwicklung auch eine Rekordenergiedichte von 1.200 Wattstunden pro Kilogramm erreichen wird“.