Mehr Ladezyklen für Lithium-Luft-Akkus

Für einen breiten Einsatz in Elektroautos müssen auf Lithium aufbauende Stromspeicher noch leichter, günstiger und leistungsfähiger werden. Ein viel versprechender Kandidat sind Lithium-Luft-Akkus, die bei gleichem Gewicht etwa dreimal mehr Strom speichern können als heutige Lithium-Ionen-Zellen. Allerdings leiden sie bisher noch unter starkem Kapazitätsverlust schon nach wenigen Ladezyklen. Britische Wissenschaftler konnten dieses Problem nun mit neuen Elektrolyten und einer Gold-Kathode beheben.

Der Prototyp, den Peter Bruce und seine Kollegen von der University of St. Andrews in Fife entwickelten, erreichte nach hundert Ladezyklen noch 95 Prozent seiner Kapazität. Die elektrochemischen Prozesse an der Kathode spielten eine Schlüsselrolle für dieses Ergebnis. „Wir konnten zeigen, dass die reversible Bildung und Zersetzung von Lithiumoxid tatsächlich möglich ist“, sagt Bruce. So wandern bei der Entladung Lithium-Ionen von der metallischen Lithium-Anode durch einen Elektrolyten zur Kathode und verbinden sich dort mit dem Sauerstoff der Luft zu Lithiumoxid (Li₂O₂). Für einen geringen Kapazitätsverlust mit der Zahl der Ladezyklen muss auch der umgekehrte Prozess möglichst vollständig ablaufen.

Um dieses Ziel zu erreichen, wählten Bruce und Kollegen für ihren Prototyp nun eine nanoporöse Kathode aus Gold und für den Ionentransport im Akku einen flüssigen Elektrolyten aus Lithiumchlorat und Dimethylsulfoxid (DMSO). Mit dieser neuen Kombination alterte der Akku selbst nach hundert Ladezyklen nur wenig und verlor gerade mal fünf Prozent seiner Kapazität. Bei allen vorherigen Versuche mit Lithium-Luft-Akkus lagen diese Verluste viel höher bei etwa zwanzig Prozent nach nur zehn Ladezyklen.

Störend wirkte sich bisher die Bildung weiterer Lithium-Verbindungen an der Kathode aus, da sie nicht mehr reversibel sind. Dazu zählen beispielsweise Lithiumcarbonat und Lithiumformiat. Mit Hilfe der Ramanspektroskopie und NMR-Analysen bestimmten die Forscher die Mengen dieser unerwünschten Beiprodukte in ihrer Lithium-Luft-Zelle. Ihr Ergebnis: Auch nach hundert Ladezyklen betrug deren Anteil weniger als 1 Prozent und die Bildung von Lithiumoxid dominierte mit rund 99 Prozent die elektrochemische Reaktion an der Kathode.

Einsatzreif ist der Lithium-Luft-Akku mit Energiedichten von rund tausend Wattstunden pro Kilogramm allerdings noch nicht. Denn eine Kathode mit hohem Goldanteil wäre schlicht zu teuer und zu schwer. Aber mit einer hauchdünnen Goldbeschichtung beispielsweise auf leichterem Grafit könnten laut Bruce die gleichen guten Eigenschaften erreicht werden. Zudem gilt es, die Kapazität auch nach bis zu tausend Ladezyklen auf einem sehr hohen Niveau zu halten, um zu häufige Akkuwechsel zu vermeiden.

Neben dem Lithium-Luft-System wird derzeit auch an anderen Kombinationen für zukünftige Akkus gearbeitet. Lithium-Eisenphosphat-Zellen konnten sich wegen der geringeren Materialkosten bereits in einigen Bereichen durchsetzen. Und auch die Reaktion von Lithium mit Schwefel unter Bildung von Lithiumsulfid wird derzeit untersucht. Verglichen mit den heute in Elektroautos eingebauten Stromspeichern könnten Lithiumsulfid-Akkus die Reichweiten von derzeit etwa 160 auf etwa 400 Kilometer mit einer Ladung steigern. Das Potenzial von Lithium-Luft-Akkus liegt mit Reichweiten von über 550 Kilometern sogar noch höher. „Langfristig brauchen wir Batterien, die Lithium-Ionen-Systeme weit überflügeln. Und „Lithium-Luft“ könnte eines sein“, ist Peter Bruce überzeugt.

Jan Oliver Löfken

OD