Lithium-Ionen-Akkus haben den Aufstieg mobiler Elektronik ermöglicht und sind auch ein wichtiger Antrieb für die Verkehrswende hin zu elektrischen Antrieben. Aber sie haben auch Limits. Da gängiges Elektrodenmaterial wie Graphit viel Platz einnimmt, ist die Energiedichte beschränkt. Das bedeutet auch, dass Akkus mit brauchbarer Gesamtkapazität viel Platz bei der Konstruktion von Fahrzeugen einnehmen und auch stark zum Gewicht beisteuern. Zwar wurden hier über die Jahrzehnte deutliche Verbesserungen erzielt, weitere Steigerungen erweisen sich aber als schwierige Herausforderung.

Eine Idee zur Verbesserung ist die Nutzung einer Lithium-Luft-Elektrode. Das erwies sich zwar grundsätzlich als taugliches Konzept zur Energiespeicherung, war aber bisher immer mit einigen Problemen verbunden. So braucht es ein Stützmaterial, das porös genug sein muss, um eine Reaktion zwischen dem Lithium und dem Sauerstoff zu ermöglichen. Gleichzeitig müssen Reaktionen mit Wasserdampf und anderen Luftbestandteilen möglichst vermieden werden. Gleiches gilt für verschiedene Lithiumoxide, die während dieses Prozesses entstehen. Aus diesen Gründen scheiterten bisherige Anläufe für die Entwicklung solcher Akkus an extrem kurzen Lebenszeiten.

Neuer Ansatz für Lithium-Luft-Akkus

Doch Forscher wollen nun eine Lösung für diese Komplikationen gefunden haben, berichtet "Ars Technica". Sie nutzen eine Lithium-Luft-Elektrode, deren Stützmaterial wasserabweisend und porös ist. In dieses sind Tri-Molybdän-Phosphid-Nanopartikel eingebettet, die als Katalysator fungieren. Sie spalten Wasser in seine Komponenten Wasserstoff und Sauerstoff auf.

Das Elektrolyt basiert auf Kohlenstoff, Silizium und Sauerstoff. Es ist bei Betriebstemperaturen des Akkus fest und verfügt über kleine Kanäle, die nicht nur den Durchfluss von Ionen erlauben, sondern auch eine gleichmäßige Verteilung auf der Oberfläche der Elektrode begünstigen. Dadurch werden Unregelmäßigkeiten vermieden, die bei Lithium-Akkus für die Formung von Dendriten sorgen. Dabei handelt es sich um nadelartige Kristallstrukturen, deren Wachstum mit der Zeit die Trennmembran zwischen den beiden Elektroden zerstört und somit den Akku kurzschließt.

Die Nutzung eines Feststoffs hat im Vergleich mit einem flüssigen Elektrolyt zudem den Vorteil, dass die Lithium-Luft-Elektrode in Kontakt mit der Luft bleibt. Das hilft dabei, dass die ablaufenden chemischen Reaktionen auch vollständig ablaufen, während diese bei Tests mit einem flüssigen Elektrolyt häufig unterbrochen wurden. Somit entsteht bei der Reaktion zwischen Lithium und Sauerstoff vorwiegend Lithiumoxid und nur wenige Zwischenprodukte wie etwa Lithium-Superoxid oder Lithium-Peroxid.

Vielversprechende Ergebnisse

Das Resultat ist ein Akku, der bei Tests eine Energiedichte von 685 Wattstunden pro Kilogramm erreichen konnte und in Sachen Platzbedarf dabei nur knapp die Hälfte des Volumens aufweist. Lithium-Ionen-Batterien erreichen aktuell Werte von etwa 200 bis 240 Wh/kg – also etwa ein Drittel. Über 1.000 Zyklen mit Ladung und Entladung hielt die Neuentwicklung einen Coulomb-Wirkungsgrad von 100 Prozent, es gab also keinen messbaren Materialverschleiß.

Allerdings liegt man in Sachen Energieeffizienz noch niedriger als konventionelle Lithium-Ionen-Batterien. Diese können in der Regel über 95 Prozent der Energie in Strom umsetzen, während weniger als fünf Prozent in Wärme umgesetzt werden. Der Lithium-Luft-Prototyp lag zu Beginn bei 93 Prozent. Über die 1.000 Ladezyklen ließ die Effizient um fünf Prozent nach.

Lithium-Ionen-Akkus erreichen Lebenszeiten von über 4.000 Ladezyklen. Entsprechende Tests müssen mit der Lithium-Luft-Neuentwicklung noch durchgeführt werden. Die bisherigen Ergebnisse sind aber vielversprechend, insbesondere weil sich der neue Akku noch in einem frühen Entwicklungsstadium befindet. Das bedeutet aber natürlich auch, dass bis zu einer möglichen Marktreife noch einige Jahre an Entwicklung notwendig sind.

Die Ergebnisse der bisherigen Arbeit haben die Forscherinnen und Forscher im Journal "Science" veröffentlicht. (gpi, 14.2.2023)