US-Forschung an Lithium-Luft-Batterie mit Festelektrolyt

US-Forscher haben eine Lithium-Luft-Batterie mit Festelektrolyt entwickelt, deren Energiedichte potenziell auf das Vierfache gegenüber heutigen Lithium-Ionen-Batterien gesteigert werden könnte. In einer Testzelle erreichte das Team nach eigenen Angaben 1.000 Lade- und Entladezyklen.

Das von Forschern des Illinois Institute of Technology (IIT) und des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums vorangetriebene Projekt hat ein Batteriedesign hervorgebracht, das mit einem Festelektrolyt aus einem keramischen Polymermaterial arbeitet. Dieser bestehe „aus relativ kostengünstigen Elementen in Nanopartikelform“, heißt es in einer Mitteilung zu den Projektergebnissen. Komplettiert wird die Zelle durch eine Lithium-Anode und eine Kathode mit einer luftdurchlässigen Struktur.

In einer Testzelle mit der neuen Chemie sollen im Labor die eingangs genannten 1.000 Lade- und Entladezyklen zustande gekommen sein. „Mit der weiteren Entwicklung erwarten wir, dass unser neues Design für die Lithium-Luft-Batterie auch eine Rekordenergiedichte von 1.200 Wattstunden pro Kilogramm erreicht. Das ist fast viermal besser als bei Lithium-Ionen-Batterien“, äußert Wissenschaftler Larry Curtiss vom Argonne-Team.

Die Forscher geben zudem an, die Hauptprobleme in den Griff bekommen zu haben, die Lithium-Luft-Batterie bisher praxisuntauglich gemacht haben. So funktioniere das Lithium-Luft-Design mit Sauerstoff, der aus der Umgebungsluft stammt, und mache somit Sauerstofftanks wie bei früheren Entwürfen überflüssig, heißt es. Zudem ist es den Wissenschaftlern nach eigenen Angaben gelungen, „eine Vier-Elektronen-Reaktion bei Raumtemperatur“ zu erreichen. Und besonders wichtig: Lithium-Luft-Zellen offenbarten bisher große Schwächen in puncto Stabilität. Das Team von IIT und Argonne gibt nun an, in einer Testzelle mit der neuen Chemie die eingangs genannten 1.000 Lade- und Entladezyklen erreicht zu haben.

Die Batterie könnte nach Angaben der Wissenschaftler künftig unter anderem in elektrischen Autos, Lkw und Flugzeugen zum Einsatz kommen. „Seit über einem Jahrzehnt haben Wissenschaftler in Argonne und anderswo daran gesessen, eine Lithiumbatterie zu entwickeln, die den Sauerstoff in der Luft nutzt“, resümiert Larry Curtiss. Die Lithium-Luft-Batterie habe die höchste prognostizierte Energiedichte aller Batterietechnologien, die für die nächste Generation von Batterien nach der Lithium-Ionen-Batterie in Betracht gezogen werden.

Die Forschung an der Lithium-Luft-Batterie wurde vom DOE Vehicle Technologies Office und dem Office of Basic Energy Sciences über das Joint Center for Energy Storage Research bezuschusst.
anl.gov