Deutsche Forscher wollen Lithium-Luft-Batterien verbessern

Das von der Bundesregierung über drei Jahre mit insgesamt rund 1,1 Millionen Euro geförderte Forschungsprojekt AMaLiS 2.0 erprobt ein neues Konzept, um die Lebensdauer von Lithium-Luft-Batterien zu erhöhen.

Dazu setzt das Team auf eine trennende Membran zwischen der Kathode und Anode der Batteriezelle. Auf diese Weise sollen auf beiden Seiten unterschiedliche Elektrolyte verwendet werden können, wie es in einer Mitteilung der beteiligten Universität Oldenburg heißt. Das Projekt wird vom Unternehmen IOLITEC Ionic Liquids Technologies aus Heilbronn geleitet und zusammen mit dem Batterieforschungszentrum MEET der Uni Münster, der Uni Oldenburg und dem Fraunhofer IFAM in Bremen durchgeführt.

Grundsätzlich funktionieren Lithium-Luft-Batterien wie herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien, wobei die Reaktion von Lithium-Ionen mit Sauerstoff aus der Luft an der positiven Elektrode dazu dient, einen Stromfluss zu erzeugen. Ihr großer Vorteil ist die hohe Energiedichte, pro Kilogramm können sie laut der Universität „fast so viel Energie speichern wie fossile Kraftstoffe“. Bei vergleichbarer Speicherkapazität hätten sie daher nur einen Bruchteil des Gewichts aktueller Akkus und wären daher für den Einsatz in Elektroautos attraktiv.

Im Fall von Lithium-Luft-Batterien besteht eine Elektrode aus metallischem Lithium, die andere – die sogenannte Gasdiffusionselektrode – aus einer porösen Verbindung, an der Sauerstoff (O₂) aus der Luft reduziert wird. Beim Entladen der Batterie bewegen sich positiv geladene Lithium-Ionen durch die Elektrolytflüssigkeit zur anderen Elektrode, wo sie sich mit Sauerstoff und Elektronen aus dem externen Stromkreis zu Lithiumoxid verbinden. Dabei fließt ein elektrischer Strom. Beim Laden der Batterie trennen sich Lithium und Sauerstoff wieder, Ionen und Elektronen wandern in die umgekehrte Richtung.

Eine der Herausforderungen auf dem Weg zu einem für die Massenproduktion geeigneten Produkt ist, dass es bislang noch keine Elektrolytflüssigkeiten gibt, die sowohl an der positiven als auch an der negativen Elektrode chemisch stabil sind. Hier setzt das Projekt „Alternative Materialien und Komponenten für aprotische Lithium/Sauerstoff-Batterien: Chemie und Stabilität der Inaktiv-Komponenten – AMaLiS 2.0“ an: Die Forschenden wollen einen beidseitig beschichteten Separator erproben, der sowohl die Lithiumelektrode als auch die Gasdiffusionselektrode schützt. Wenn unterschiedliche, jeweils spezialisierte Elektrolyte auf beiden Seiten verwendet werden könnten, würde das die Auswahlmöglichkeiten für die Elektrolyte deutlich erweitern – da nicht ein Kompromiss für beide Seiten gefunden werden müsste.

Das Oldenburger Team um den Chemie-Professor Gunther Wittstock untersucht die Vorgänge auf der Oberfläche des Separators und der Elektroden mit verschiedenen Verfahren, darunter Oberflächenspektroskopie und elektrochemische Rastermikroskopie (SECM). Die Entwicklung der Trennschicht übernimmt IOLITEC gemeinsam mit einem Team des MEET Batterieforschungszentrums der Universität Münster. Das MEET führt außerdem Testmessungen durch. Am Fraunhofer IFAM kümmern sich Forschende um Dr. Daniela Fenske um die Herstellung einer neuartigen Gas-Diffusions-Elektrode aus nanostrukturiertem Titancarbid.
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