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Akku hat noch Luft nach oben

Vielversprechende Energiespeicher lassen sich nun gezielt optimieren

Jülich, 9. Mai 2016 – Aktuell sind bei Energiespeichern Lithium-Ionen-Akkus das Maß der Dinge. Doch die Konkurrenz steht in den Startlöchern, darunter die Lithium-Luft-Technologie. Ein Team vom Forschungszentrum Jülich und von der Technischen Universität München hat jetzt eine Erklärung dafür gefunden, warum diese vielversprechenden Akkus bislang nur wenige Ladezyklen durchhalten. Sie haben nachgewiesen, dass während des Betriebs von Lithium-Luft-Akkus eine besonders reaktionsfreudige Form des Sauerstoffs entsteht. Wie sie in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift "Angewandte Chemie" berichten, ist dieser Singulett-Sauerstoff vermutlich dafür verantwortlich, dass sich der Elektrolyt schnell zersetzt und die Kohlenstoff-Elektrode korrodiert. Diese Entdeckung ermöglicht es, Lithium-Luft-Akkus gezielt zu verbessern.

Lithium-Luft-Akkus können theoretisch die 20-fache Energiedichte heutiger Lithium-Ionen-Akkus erreichen. Für Elektroautos etwa bedeutet das: Sie könnten deutlich weiter als heute fahren, bevor ihre Batterie wieder neu aufgeladen werden muss. Als Heimspeicher könnten die Akkus bei geringem Platzbedarf den Strom horten, den eine Photovoltaik-Anlage auf dem Dach produziert. Er stände dann etwa für Regentage zur Verfügung. Daher forschen Wissenschaftler weltweit an Lithium-Luft-Akkus.

Sie haben dabei wesentlich mit dem Problem zu kämpfen, dass sich diese Akkus nur wenige Male aufladen lassen, bevor sie rapide an Leistungsfähigkeit verlieren oder gar nicht mehr funktionieren. Ursache sind bisher unverstandene Zersetzungsreaktionen vor allem beim Laden. Genau diese haben Jülicher Forscher um Prof. Rüdiger Eichel nun gemeinsam mit Wissenschaftlern der TU München mithilfe einer innovativen Messmethode unter die Lupe genommen. Ausgangspunkt war ihre Vermutung, dass Singulett-Sauerstoff eine wichtige Rolle bei diesen Reaktionen spielt. Dabei handelt es sich um Sauerstoff-Moleküle, die elektronisch angeregt sind. Sie reagieren sehr viel schneller mit den Stoffen in ihrer Umgebung als „normaler“ Sauerstoff. Somit sind sie kurzlebig und schwer nachzuweisen.

"Daher haben wir den Singulett-Sauerstoff gleichsam in eine chemische Falle gelockt", erläutert Eichel. Dabei handelt es sich um eine recht kompliziert aufgebaute chemische Verbindung mit dem Kürzel 4-Oxo-TEMP. Sie reagiert mit dem Singulett-Sauerstoff zu einer Verbindung mit einem freien, ungepaarten Elektron – ein Radikal, wie Fachleute sagen. Solche Radikale lassen sich gut mit der Elektronenspinresonanz-Spektroskopie (ESR) nachweisen.

Die Wissenschaftler aus Jülich und München setzten eine selbstentwickelte Apparatur ein, die Akku und ESR-Messzelle zugleich ist. So war es ihnen möglich, die elektrochemischen Vorgänge im Inneren des Akkus durch ESR-Messungen zu begleiten. Es zeigte sich, dass tatsächlich Singulett-Sauerstoff entsteht. "Nun können wir und andere Forscher gezielt die Vorgänge im Lithium-Luft-Akku so maßschneidern, dass sich kein reaktiver Singulett-Sauerstoff bildet. Damit haben wir einen neuen Ansatzpunkt, um Akkus länger leistungsfähig zu machen", sagt Rüdiger Eichel. Stellschrauben seien zum Beispiel Zusatzstoffe für den Elektrolyten oder Beschichtungen für die Elektroden.

Lithium-Luft-AkkuBeim Lithium-Luft-Akku besteht der Minuspol aus reinem metallischen Lithium, während er beim herkömmlichen Lithium-Ionen-Akku aus Graphit gebildet wird, in den Lithium-Ionen eingelagert sind. Beim Pluspol des Lithium-Luft-Akkus handelt es sich um eine poröse Elektrode mit Luftkontakt. Beim Entladen wird dort Sauerstoff aus der Luft reduziert, beim Laden oxidiert. Beim Lithium-Ionen-Akku werden am Pluspol dagegen Ionen von Metallen wie Kobalt und Nickel reduziert oder oxidiert.
Copyright: Forschungszentrum Jülich

Originalveröffentlichung:

Johannes Wandt, Peter Jakes, Josef Granwehr, Hubert A. Gasteiger, Rüdiger-A. Eichel
Singlet Oxygen Formation During the Charging Process of an Aprotic Lithium-Oxygen Battery, Angewandte Chemie, DOI: 10.1002/anie.201602142

Ansprechpartner:

Prof. Rüdiger Eichel
Institut für Energie- und Klimaforschung, Bereich Grundlagen der Elektrochemie
Tel.: 02461 61-4644
Email: r.eichel@fz-juelich.de


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