Lithium-Luft-Batterien: Akkus der nächsten Generation schon in Sicht?

Lithium-Luft-Batterien: Akkus der nächsten Generation schon in Sicht? bigstockphoto

Steht die nächste Akku-Generation bereits in den Startlöchern? Japanische Forscher haben eine Lithium-Luft-Batterie entwickelt, die durch ihre hohe Energiedichte und weitere Vorteile überzeugt.

Wissenschaftler des japanischen National Institute for Material Science haben mit Unterstützung des japanischen Mischkonzerns Softbank eine Lithium-Luft-Batterie mit einer Energiedichte von mehr als 500 Wh/Kilogramm entwickelt. Damit ist die Energiedichte fast doppelt so hoch wie in den derzeit im Tesla Model 3 eingesetzten Lithium-Ionen-Akkus.

Neben einer hohen Energiedichte verspricht der Prototyp auch eine sehr lange Lebensdauer. Laden und Entladen ist demnach bei Raumtemperatur möglich, die Lagerung über lange Zeit machbar und die Herstellung vergleichsweise umweltfreundlich.

Zwei- bis fünfmal höhere Energiedichte

Die Studienautoren über ihre Motivation: "Lithium-Luft-Batterien (LABs) sind aufgrund ihrer extrem hohen theoretischen Energiedichte potenzielle Kandidaten für wiederaufladbare Batterien der nächsten Generation."

Bei der Untersuchung sei es deshalb darum gegangen, die kritischen Faktoren zur Verbesserung der Energiedichte von LABs zusammenzufassen und Kriterien für die Bewertung von LABs in Laborexperimenten vorzuschlagen. So solle die Leistung der Batterien in der Industrie genauer prognostiziert werden können.

Die Forscher heben hervor, dass mit Lithium-Luft-Batterien zwei -bis fünfmal höhere Energiedichten als mit den bisherigen Batterietyp möglich seien.

Die Autoren nennen auch mögliche Anwendungsfelder. Dazu zählen zum Beispiel Drohnen und unbemannte Luftfahrzeuge, moderne Energiespeichergeräte und Fahrzeuge – und sogar elektrisch betriebene Passagierflugzeuge!

In den letzten Jahrzehnten habe es in materialwissenschaftlicher Hinsicht große Fortschritte in der LAB Technologie gegeben – wie etwa die "Entwicklung stabiler Elektrolyten gegen sauerstoffreaktive Spezies, die hierarchische poröse Kohlenstoffelektrode und die Schutzschicht von Lithiummetallelektroden".

Die Macher der Studie stellen fest: Auch wenn in wissenschaftlicher Hinsicht kein Zweifel an der überlegenen Zyklusleistung von Lithium-Luft-Batterien bestehe, sei die Kommerzialisierung noch nicht erreicht worden. Die Forschung fokussiere vor allem einzelne Komponenten und nur selten die Leistung der neuen Akkutypen auf Zellebene unter praktischen Bedingungen.

So ist der Lithium-Luft-Akku konstruiert

Der Lithium-Luft-Akku besteht aus einer Lithium Metallfolie, einem Separator, einem Li-Ionen leitenden, nichtwässrigen Elektrolyten, einer porösen Kohlenstoffelektrode und einer Gasdiffusionsschicht. Auf 5 × 4 cm sind zehn gestapelte Zellen angeordnet.

Entscheidend für die hohe Energiedichte ist die Steuerung der Elektrolytmenge in der Zelle. Überschüssige Elektrolyte beeinträchtigen die Energiedichte. Den japanischen Forschern ist hier offenbar eine wesentliche Verbesserung im Vergleich zu früheren Lithium-Luft-Akkus gelungen.

Shoichi Matsuda, leitender Forscher am National Institute for Materials Science bezeichnete das Ergebnis als "Energiedichte der Weltklasse".

Dass die Forscher auf die erreichte Energiedichte von 500 Wh/Kilogramm Akkugewicht stolz sind, ist kein Zufall. Dieses Niveau gilt als Schwellenwert für die Machbarkeit elektrischer Passagierflugzeuge. Deren Bau scheitert derzeit noch daran, dass die für den Antrieb benötigten Akkus viel zu schwer wären. Mit einer Energiedichte von 500 Wh/Kilogramm wären zumindest Kurzstreckenflüge denkbar – dann nahezu lautlos und ohne CO2-Emissionen.

Die Ausweitung der E-Mobilität auf den Flugverkehr ist jedoch ohnehin Zukunftsmusik. Näher liegt der Einsatz möglicher künftiger Lithium-Luft-Akkus des japanischen Typs in Elektroautos, die damit ihr Reichweitenproblem überwinden könnten. Auch der Einsatz zur Stromspeicherung könnte so einfacher werden.

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Lithium bleibt knapper Rohstoff

Eine höhere Energiedichte könnte auch dazu beitragen, den Bedarf am Rohstoff Lithium ein Stück weit weniger explodieren zu lassen, als es ohnehin absehbar ist. Für 1 t Lithiumhydroxid werden an der London Metal Exchange (LME) derzeit mehr als 77.000 USD gezahlt.

Der knappe und teure Rohstoff treibt deshalb nicht nur die Preise von E-Autos und anderen für die Energiewende benötigten Technologien, sondern könnte auch bei der Hochskalierung zum limitierenden Faktor werden. Minenunternehmen weltweit arbeiten deshalb an einen Ausbau der Produktion.

Weitere Infos zur Studie gibt es hier:

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/MH/D1MH01546J