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Dieser Lithium-Luft-Akku ist ein heißes Teil

Wenn sich der Akku nicht selbst zerstören soll, muss verhindert werden, dass sich das sehr reaktive Lithiumperoxid bildet. Einfaches Lithiumoxid mit nur einem Sauerstoffatom wäre chemisch viel besser verträglich. Aber es entsteht auf der Membran nicht unter normalen Bedingungen. Die Forscher stellten fest, dass sich das sauerstoffreiche Peroxid aus zwei Gründen bildet.

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Zur Bildung von einfachem Lithiumoxid mit einem Sauerstoffatom muss zuerst ein Sauerstoffmolekül aufgetrennt werden. Das macht die Reaktion langsamer als die Bildung des Lithiumperoxids. Außerdem setzt die Bildung des Peroxids knapp zwei Prozent mehr Energie frei. Reaktionen, die mehr Energie freisetzen, laufen aber bevorzugt ab.

Das erste Problem konnten die Forscher mit einem Nickel-Katalysator lösen, der die Aufspaltung der Sauerstoffmoleküle vereinfacht und nebenbei noch die elektrische Leitfähigkeit etwas verbessert. Gleichzeitig katalysiert das Material auch die Aufspaltung von Lithiumperoxid in Lithiumoxid. Aber das löst nicht das Problem. Denn der Katalysator beschleunigt die Reaktion in beide Richtungen, beeinflusst aber nicht das Gleichgewicht.

Bei höheren Temperaturen verschiebt sich aber das chemische Gleichgewicht, weil die freigesetzte Energie sinkt. Diese sinkt bei steigender Temperatur schneller beim Lithiumperoxid als beim einfachen Lithiumoxid. Wenn die Reaktion bei höheren Temperaturen abläuft, kehrt sich das Gleichgewicht also irgendwann um. In dem Fall sind etwa 150 Grad Celsius notwendig, bis nur noch sehr wenig Lithiumperoxid entsteht.

Das Prinzip funktioniert...

Der daraus gebaute Prototyp im Labor war bei weitem kein Superakku. Er lieferte nicht einmal ein Prozent der theoretischen Kapazität. Der größte Teil seiner Masse bestand aus der Membran zwischen Lithium und Sauerstoff. Aber selbst die war schon nach wenigen Ladevorgängen stark beschädigt. Das Problem ist das gleiche wie bei der Entwicklung herkömmlicher Lithium-Ionen-Akkus mit reiner Lithium-Anode. Beim Laden des Akkus entstehen kleine Verästelungen aus Lithiummetall, die in Richtung der Membran wachsen und sie nicht durchdringen dürfen.

Aber anders als bei bisherigen Versuchen blieben bei den Ladevorgängen keine größeren Rückstände von Lithium-Verbindungen im Akku zurück. Zehnmal konnte fast das gesamte gebildete Lithiumoxid durch Anlegen der umgekehrten Spannung wieder in Lithium und Sauerstoff aufgespalten werden und die Lithiumionen durch die Membran zurück zur Anode gebracht werden.

...aber es bleibt noch viel Arbeit

Mit Betriebstemperaturen von weit über 100 Grad Celsius wären solche Akkus nicht für Handys und Laptops geeignet. Nur große Akkus mit viel Masse und guter Isolierung könnten ohne große Verluste dauerhaft auf so hohen Temperaturen gehalten werden. Vielmehr sind sie auch hier vergleichbar mit Brennstoffzellen, die ebenso bei hohen Temperaturen betrieben werden, um ihre Leistung zu erhöhen. Aber bis Lithium-Luft-Akkus tatsächlich funktionieren, ist es noch ein weiter Weg.

Die Membranen müssen gleichzeitig dünner und widerstandsfähiger werden. Die Schichten aus Lithiumoxid, die auf der Membran abgeschieden werden können, bevor der Katalysator überdeckt wird, müssen dicker werden. Der Katalysator muss auch verbessert werden um die Reaktion weiter zu beschleunigen, denn es bildet sich wieder Lithiumperoxid, wenn zu viel Strom auf einmal vom Akku abgerufen wird. Wenn diese Probleme gelöst sind, muss der Akku noch mit Luft funktionieren. Zurzeit finden die Experimente nur mit reinem Sauerstoff im Labor statt, ohne Luftfeuchtigkeit oder Kohlendioxid.

Es ist noch nicht absehbar, wann die Entwicklung abgeschlossen ist. Es muss sich zeigen, wie nah so ein Akku in der Praxis an die Energiedichte eines Benzintanks mit Verbrennungsmotor kommen kann. Aber die Verlockung der Theorie ist groß und so werden auch weiterhin Forscher versuchen, den Lithium-Luft-Akku zur Praxis werden zu lassen.

 Energietechnik: Die Verlockung der Lithium-Luft-Akkus
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CrazyIvan1337 22. Sep 2018

Ich muss vorweg sagen, ich bin kein Physiker, aber Cannabis ist im kommen zumindest auf...

Hugo1of2 17. Sep 2018

Die Energie für den Kaltstart würde ich dann nicht aus diesem Akku beziehen...soweit ich...

probeo 16. Sep 2018

Tauschbare Akkus waren immer mal wieder im Gespräch. Dieser Ansatz ist nicht...

Eheran 16. Sep 2018

.... mit dem Link? Aber genau um den geht es doch?! Er hat einen 5-zeiligen Beitrag, auf...

johnDOE123 13. Sep 2018

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