Lithium-Luft-Batterien:
Mechanismus zur gesteigerten Kapazität geklärt

Gemeinsamer Erfolg von TU Graz, St. Andrews, Oxford, Amiens und Collège de France

Lithium-Luft-Batterien speichern potentiell ein Vielfaches der Energie von Lithium-Ionen-Batterien. Sie gelten daher als deren vielversprechende Nachfolgerinnen und als die leistungsstarken Energieträger, nach denen die Automobilindustrie dringend sucht. Forscher der TU Graz haben nun in Zusammenarbeit mit den Universitäten St. Andrews, Oxford und Amiens sowie dem Collège de France den Entlademechanismus der „luftigen Superbatterie“ besser aufgeklärt: Die Art des Elektrolyten wirkt sich entscheidend auf die effektive Kapazität der Batterie aus. Die Erkenntnis wurde in der aktuellen Ausgabe von „Nature Chemistry“ publiziert.

Dank leichter Sauerstoff- statt schwerer metallischer Ionenstrukturen haben Lithium-Luft-Batterien im Gegensatz zu den mittlerweile recht verbreiteten Lithium-Ionen-Batterien eine potentiell vervielfachte Energiespeicherkapazität. Zudem kommt die „luftige Super-Batterie“ ohne teure und begrenzt verfügbare Übergangsmetalle wie Kobalt, Nickel oder Mangan aus. Die neue Batterietechnologie steckt zum Gutteil aber noch in den Kinderschuhen. Einen entscheidenden Aspekt hat Stefan Freunberger vom Institut für Chemische Technologie von Materialien der TU Graz gemeinsam mit Kollegen der Universitäten von St. Andrews, Oxford und Amiens sowie des Collège de France unter die Lupe genommen: „Wir haben den Entlademechanismus der Lithium-Luft-Batterie untersucht und gezeigt, welche Faktoren für die effektive Kapazität der Batterie verantwortlich sind“, fasst Freunberger zusammen.

Elektrolyt entscheidet Kapazität

Die Kapazität der Lithium-Luft-Batterie ist anders als bei jetzigen Batterien nicht fest bestimmt, sondern wird von mehreren Faktoren beeinflusst. Zentral ist der Elektrolyt, der die Ionen leitet. Der Sauerstoff in der entladenen Lithium-Luft-Batterie ist idealerweise in Form von Peroxid vorhanden, also in fester, unlöslicher Form. Die Zwischenstufe dorthin ist sogenanntes Superoxid. Je löslicher die Zwischenstufe während des Entlademechanismus ist, desto besser wirkt sich das auf die Kapazität der Batterie aus. „Wir haben herausgefunden, dass das ‚Rädchen‘, an dem man drehen muss, in der sogenannten Donorzahl des Elektrolyten liegt. Diese Zahl beschreibt die Bindungsstärke zwischen dem Lösungsmittel und den Kationen eines darin gelösten Salzes und bestimmt die Löslichkeit der Zwischenstufe“, erklärt Stefan Freunberger. Ein Elektrolyt mit hoher Donorzahl ist also der Schlüssel zur gesteigerten Kapazität der Lithium-Luft-Batterie. „Hohe Donarzahlen haben beispielsweise Sulfoxide oder Imidazol. Letzteres ist eine Stickstoffverbindung, die wir in unserer Untersuchung als Modellsubstanz verwendet haben“, so Freunberger.

Gerichtete Forschung statt „trial and error“

Damit ist das theoretische Gerüst der Lithium-Luft-Batterie noch fundierter. „Wir haben nun viele trial and error-Versuche aus dem Weg geschafft und wissen, wir müssen einen Elektrolyten mit möglichst hoher Donorzahl verwenden. Nun können wir die Lithium-Luft-Batterie zielgerichteter bis zu ihrer tatsächlichen Verwendung erforschen“, sagt Stefan Freunberger, der als nächstes die Herstellung eines Polymerelektrolyten mit hoher Donorzahl in Angriff nehmen wird.

Originalpublikation:
Lee Johnson, Chunmei Li, Zheng Liu, Yuhui Chen, Stefan A. Freunberger, Jean-Marie Tarascon, Praveen C. Ashok, Bavishna B. Praveen, Kishan Dholakia and Peter G. Bruce: The role of LiO2 solubility in O2 reduction in aprotic solvents and its consequences for Li-O2 batteries. Nature Chemistry, November 2014, DOI 10.1038/nchem.2101.