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Mobile Energieversorgung: Länger und leichter kabellos dank Lithium-Luft-Akkus

Aufbau des Lithium-Sauerstoff-AkkusLaden...

Um Notebooks, Elektroautos und mobile Unterhaltungselektronik länger abseits vom Netz betreiben zu können, suchten Forscher bisher vergeblich nach Alternativen zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus. Auch mit den neueren Entwicklungen, wie den Lithium-Polymer-, Lithium-Titanat- und Lithium-Mangan-Akkus, war kein deutlicher Leistungssprung in Sicht. Erst der so genannte Lithium-Luft-Akku würde die von allen diesen Akkutypen theoretisch höchste Energiedichte von 11 000 Wattstunden pro Kilogramm und damit längste Betriebsdauer bei geringem Gewicht erreichen. Dabei wird eine der Elektroden durch Sauerstoff ersetzt.

Das Problem daran: Bislang entstehen beim Entladevorgang in Verbindung mit Lithiumperoxid Sauerstoffradikale. Diese zersetzen den Elektrolyten, wodurch der Akku nur wenige Auflade-Entlade-Zyklen durchlaufen kann. Forschern der schottischen University of St. Andrews gelang es nun jedoch, einen solchen Lithium-Sauerstoff-Akku zu entwickeln, der über eine im Vergleich zu Lithium-Ionen-Akkus erheblich längere Betriebsdauer verfügt, weniger wiegt und langzeitstabil ist [1].

Wirkungsweise des Lithium-Luft-AkkusLaden...
Wirkungsweise des Lithium-Luft-Akkus | Der Lithium-Luft-Akku besteht aus einer Lithiumanode, einer Kathode aus nanoporösem Gold oder Graphit, an der Sauerstoff aus der Luft reduziert wird, und einem wasserfreien Elektrolyten. Während des Entladevorgangs wird Lithiumperoxid (Li2O2) gebildet, beim Ladevorgang wird es wieder reversibel zersetzt.

Die Wissenschaftler um Peter Bruce kombinierten eine metallische Lithiumanode mit einer nanoporösen Goldkathode, an der das eigentliche Oxidationsmittel Sauerstoff zu Lithiumperoxid umgesetzt wird. Das mit kleinen Mengen Lithiumperchlorat versetzte Dimethylsulfoxid diente als Elektrolyt. Bruce und seine Kollegen stellten fest, dass dieser Bautyp äußerst effektiv war: Er verlor auch nach 100 Auflade- und Entlade-Zyklen lediglich 5 Prozent seiner Anfangskapazität. Die katalytische Wirkung der Nanoporen der Goldkathode erhöhte offensichtlich die Leistungsdichte erheblich. Auch zeigte sich, dass sich der Elektrolyt nur zu einem Prozent irreversibel zersetzte und der Akku damit wiederaufladbar blieb.

Vor Kurzem entwickelte eine Forschergruppe um Bruno Scrosati von der römischen Sapienza-Universität ebenfalls eine Lithium-Sauerstoff-Zelle, die hingegen aus einer Lithiumanode, einer nanoporösen Graphitelektrode und einem etherbasierten Elektrolyten bestand [2]. Dieser Akku war ebenfalls sehr leistungsfähig und überstand im Test 100 Auflade-Entlade-Vorgänge.

Trotz der ersten Erfolge müssen die Forscher für die Anwendbarkeit der neuen Technologie noch einige Hürden meistern. Die für die Bauweise der britischen Forscher benötigten Goldelektroden sind für die Massenproduktion zu teuer. Möglicherweise genügt es aber auch, Graphitelektroden zu verwenden und diese mit einer nanoporösen Goldschicht zu überziehen. Generell sind die Ladezeiten des neuen Akkutyps noch vergleichsweise hoch. Darüber hinaus bereitet es Probleme, dass zur Sauerstoffversorgung des Akkus Umgebungsluft angesaugt wird: Die Lithiumanode muss sorgsam vor der darin enthaltenen Feuchtigkeit geschützt werden, da sie andernfalls heftig mit dem Wasser reagieren würde.

29. KW 2012

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 29. KW 2012

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