Lithium-Luft: Ein Batterie-Durchbruch erklärt

Werbung

Auf der Suche nach kleineren, langlebigeren und leistungsstärkeren Batterien haben Wissenschaftler viele alternative Ansätze zur Batteriechemie ausprobiert. Man hat vielleicht gerade den Durchbruch erzielt, auf den wir warten.Die urbane Legende besagt, dass es in einer Batteriezelle, die der Chemiker K M Abraham 1995 in seinem Labor testete, ein kleines Leck gab, das die Zelle mit einem weitaus höheren Energiegehalt als erwartet versorgte. Anstatt zu versuchen, das Leck zu beheben, untersuchte Abraham und entdeckte die erste wiederaufladbare Lithium-Luft-Batterie (Li-Air). Bisher hat diese Entdeckung nicht zu technisch brauchbaren Produkten geführt, aber ein in Science veröffentlichtes Papier einer Forschungsgruppe der Universität Cambridge könnte dies ändern.Im Jahr 2008 überraschte Tesla die Branchenbeobachter mit seinem kühnen, elektrischen Roadster, der mit handelsüblichen Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion-Batterien) betrieben wurde, die von Smartphones über Laptops bis hin zu Kameras und Spielzeug alles antreiben. Seitdem ist nicht nur der Markt für Elektrofahrzeuge schnell gewachsen, sondern auch die durchschnittliche Reichweite der Batterien, die sie antreiben. Dieses Wachstum muss sich jedoch beschleunigen: Ab 1994 dauerte es 20 Jahre, um den Energiegehalt einer typischen Li-Ionen-Batterie zu verdreifachen.Die neue Forschung unter der Leitung der Professoren Gunwoo Kim und Clare Grey experimentierte mit Li-Air-Zellen, die nur einen Elektronenleiter wie leichten, porösen Kohlenstoff anstelle eines Metalloxids verwenden, das normalerweise in einer Li-Ionen-Batterie verwendet wird. Praktisch gesehen spart dies viel Gewicht, bringt aber seine eigenen Schwierigkeiten mit sich.

Funktionsweise von Lithium-Luft-Batterien

Eine Li-Luft-Zelle erzeugt Spannung aus der Verfügbarkeit von Sauerstoffmolekülen (O2) an der positiven Elektrode. O2 reagiert mit den positiv geladenen Lithiumionen zu Lithiumperoxid (Li2O2) und erzeugt elektrische Energie. Elektronen werden aus der Elektrode herausgezogen und eine solche Batterie ist leer (entladen), wenn kein Li2O2 mehr gebildet werden kann.

Advertisment

Theoretisch ist eine Li-Air-Batterie leer (entladen), wenn alle Poren der positiven Elektrode (rechte Seite) mit Lithiumperoxid gefüllt sind, hier von oben nach unten gefüllt.

Allerdings ist Li2O2 ein sehr schlechter Elektronenleiter. Wenn Ablagerungen von LI2O2 auf der Elektrodenoberfläche wachsen, die die Elektronen für die Reaktion liefert, dämpft es und tötet schließlich die Reaktion und damit die Leistung der Batterie ab. Dieses Problem kann überwunden werden, wenn das Reaktionsprodukt (in diesem Fall Lithiumperoxid) nahe der Elektrode gelagert wird, diese jedoch nicht beschichtet.

Werbung

Die Cambridge–Forscher fanden ein Rezept, das genau das tut – unter Verwendung einer Standardelektrolytmischung und Zugabe von Lithiumiodid (LI) als Additiv. Das Experiment des Teams umfasste auch eine eher schwammige, flauschige Elektrode aus vielen dünnen Graphenschichten, die mit großen Poren gefüllt waren. Die letzte wichtige Zutat ist eine kleine Menge Wasser.

Bei dieser Kombination von Chemikalien bildet die Reaktion beim Entladen der Batterie nicht das Li2O2, das die leitende Oberfläche der Elektrode aufprallen würde (siehe Bild unten, linke Seite). Stattdessen enthält es Wasserstoff, der aus dem Wasser (H2O) abgestreift wird, um Lithiumhydroxid (LiOH) -Kristalle zu bilden. Diese Kristalle füllen die Größe der Poren in der flauschigen Kohlenstoffelektrode aus, aber entscheidend ist, dass sie die lebenswichtige Kohlenstoffoberfläche, die die Spannungsversorgung erzeugt, nicht beschichten und blockieren (rechte Seite). Die Anwesenheit von Lithiumiodid als “Vermittler” (obwohl seine genaue Rolle noch nicht klar ist) und Wasser als Co-Reaktant in dem Prozess erhöht die Kapazität der Li-Air-Batterie.

Werbung

Li-Air-Batterien mit Lithiumperoxid (links, die Kohlenstoffelektrode blockierend) und Lithiumhydroxid (rechts, mit nicht blockierter Elektrode) als Entladungsprodukte. Beachten Sie, dass die Elektrodenporenstruktur der Einfachheit halber nicht gezeichnet ist. Autor zur Verfügung gestellt

Wie wird Li-Air die Dinge verändern?

Dieser Prozess, der sicherstellt, dass die Elektrodenoberfläche frei bleibt, ist wichtig, um die Batteriekapazität zu erhöhen. Nachteilig ist jedoch, dass der gleiche fehlende elektrische Kontakt zwischen der Elektrode und dem Entladungsprodukt, der ihre Kapazität erhöht, die Wiederaufladung grundsätzlich erschweren sollte.

Advertisment

Auch hier stellt sich heraus, dass das Lithium-Iodid-Additiv die fehlende Zutat ist: An der Elektrode werden negativ geladene Iodidionen in I3 (Triiodid)-Ionen umgewandelt (siehe Bild rechts). Diese verbinden sich mit den LiOH-Kristallen und lösen sich auf, was eine vollständige Aufladung ermöglicht, indem die Poren gereinigt werden.

Aufladen von Li-Air-Batterien. Links: Lithiumperoxid muss von der Kohlenstoffoberfläche entfernt werden. Rechts: Zyklus von Iodid und Triiodid, bei dem Triiodid Lithiumhydroxid chemisch auflöst und die Elemente freisetzt, damit sie wieder zur Stromerzeugung kombiniert werden können. Autor zur Verfügung gestellt

Werbung

Tatsächlich ist dieser Mechanismus noch effektiver als das Aufladen von Li2O2, das an der Elektrodenoberfläche befestigt ist. Da die Elektronen keine Li2O2-Schicht durchlaufen müssen, ist zum Aufladen einer Li-Air-Batterie mit dem Jodadditiv weniger Spannung erforderlich als ohne. So wird weniger Energie benötigt, um die Batterie aufzuladen, was ein Elektroauto, das mit einer solchen Li-Air-Batterie betrieben wird, energieeffizienter machen würde. Die Autoren der Studie präsentieren Daten, die sich einer Energieeffizienz von rund 90% nähern – damit kommt diese neue Batterietechnologie der herkömmlicher Li-Ionen-Batterien nahe.Ihre Ergebnisse zeigen einen vielversprechenden Weg für die Li-Air-Technologie in einer Zeit, in der viele andere Forschungsgruppen aufgegeben haben. Da nach diesem Durchbruch immer mehr Forscher zu diesem Thema zurückkehren, wird vielleicht eine kommerzielle Li-Air-Batterie endlich Realität.

Werbung

Harry Hoster, Direktor von Energy Lancaster und Professor für Physikalische Chemie, Lancaster University

Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht.