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Batterien: Bessere Lithiumakkus durch salzige Elektrolyte

Wasser im Akku macht Elektrolyte billiger, haltbarer - und ab einer bestimmten Spannung gefährlich. Ein neuer Ansatz soll die Vorteile erhalten und die Gefahr minimieren.
Wasser

Lithiumionenakkus sind trotz aller Ideen, sie zu ersetzen, seit Längerem das Mittel der Wahl für kleine, mobile und wiederaufladbare Energiespeicher: Sie sind haltbar, kostengünstig und weisen eine hohe Energiedichte auf. Trotzdem kann man sie durchaus noch weiter verbessern, meinen zum Beispiel Liumin Suo von der University of Maryland und sein Team: Die Akkuingenieure entwickeln eine besondere Elektrolytmischung und erhöhen so das Potenzial eines bestimmten Typs der Batterien: Technisch gesprochen, erlaubt dies eine deutliche höhere mögliche Betriebsspannung.

Herzstück der Lithiumionenakkus ist das Elektrolyt zwischen den negativen und positiven Elektroden: Durch den je nach Bauart unterschiedlichen Elektrolyten wandern beim Entladen die Lithiumionen aus der negativen zur positiven Elektrode, die zum Beispiel aus einem Metalloxid besteht. Strom fließt nun, weil Elektronen die Ladungen über den externen Stromkreis ausgleichen. Legt man eine Spannung an, kehrt sich der Elektronenfluss um, und auch die Lithiumionen bewegen sich zurück in die negative Elektrode, die etwa aus Graphit besteht; der Akku lädt sich wieder auf.

Der neue Akku im Detail | Eine neue Klasse von Salzwasserelektrolyten soll deutlich höhere Zellspannungen von Lithiumakkus mit flüssigen Elektrolyten erlauben. Das Problem bisher (links): Ab einer bestimmten Spannung von 1,2 Volt wächst die Gefahr, dass sich Wassermoleküle in der Elektrolytlösung zu Sauerstoff und Wasserstoff zerlegen. Dieses Risiko besteht bei der neuen Lösung, bei der quasi Wasser in Sole gelöst ist (rechts), nicht. Diese Art Akku kann auch bei 3 Volt betrieben werden, ohne in Brand zu geraten.

Im Akku müssen flüssige oder feste Elektrolyte und die Materialien der Elektroden mit ihren verschiedenen Vor- und Nachteilen aufeinander abgestimmt werden. Dabei sind unter dem Strich flüssige Elektrolyte für kleine, leichte und dauerhafte Akkus im Vorteil, weil sie eine höhere Lebensdauer und geringeren Wartungsaufwand zeigen. Allerdings ist die Spannung eines Lithiumakkus vor allem durch die Gefahr begrenzt, die nur in wässrigen Elektrolyten besteht: Hier können sich aus Wassermolekülen Sauerstoff und Wasserstoff bilden, die im Ernstfall einen Brand entfachen können. Wasserfreie, feste Elektrolyte, bei denen diese Gefahr nicht besteht, sind dagegen teuer und schwer zu recyceln. Die Forscher um Suo gingen einen Mittelweg: Ihr neues Elektrolyt ist eine Art hoch konzentrierter wässriger Sole aus Lithium-Bis(trifluoromethansulfonyl)imiden, bei der auch bei hohen Spannungen kaum schädliche Zerfallsprodukte anfallen.

So entsteht eine haltbare Lithiumbatterie mit hoher Energiedichte, die auch bei hohen Zellspannungen noch gefahrlos operiert, so die Forscher. Denkbar sei durchaus, mit solchen Akkus eine Energiedichte von rund 100 Wattstunden pro Kilogramm zu erreichen – ein Wert, der bisher nur von den gängigen Akkus mit flüssigen Elektrolyten übertroffen wird, die aber lediglich geringere Spannungen vertragen, kommentieren die Materialwissenschaftler Leland Smith und Bruce Dunnt von der University of California in Los Angeles in »Science«. Nachteil des Ansatzes sind derzeit noch die Kosten des speziellen Lithiumsalzes – trotzdem könnte eine Weiterentwicklung der wässrigen Salzelektrolyte sich auch im Hinblick auf die Natriumionenbatterien lohnen, in denen viele Forscher die kostengünstige Zukunft der Batterietechnik sehen.

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