Energietechnik: Die Verlockung der Lithium-Luft-Akkus

Ein Akku mit der Energiekapazität eines Benzintanks würde viele Probleme lösen. In der Theorie ist das möglich. In der Praxis ist noch viel Arbeit nötig.

Artikel von Frank Wunderlich-Pfeiffer veröffentlicht am 12. September 2018, 17:15 Uhr

Mikroskopische Bilder vor dem Laden der Batterie (links) und danach - der Maßstab ist 2 Mikrometer groß (Bild: C. Xia, C. Y. Kwok, L. F. Nazar (Science 24. August 2018))

Der größte Nachteil von Elektroautos gegenüber herkömmlichen Autos mit Verbrennungsmotor ist die begrenzte Energiemenge in den Akkus. Selbst moderne Lithium-Ionen-Akkus erreichen nicht einmal drei Prozent der Energiedichte von Benzin. In der Theorie könnten sie Energiedichten von fünf Kilowattstunden pro Kilogramm erreichen. Sie wären damit vergleichbar mit Benzin, wenn man bedenkt, dass Elektromotoren mehr als die doppelte Effizienz von Verbrennungsmotoren haben.

Aber die Idee vom Superakku ist noch lange nicht tot. Denn das Lithium macht im Lithium-Ionen-Akku nur wenige Prozent der Masse aus. Die theoretischen Grenzen würden nur mit einer radikalen Lösung erreicht: Ein Akku aus Lithium und Luft. Es klingt wie ein Scherz, aber sie sind schon seit Jahrzehnten in der Diskussion. Nicht wiederaufladbare Zink-Luft-Batterien sind wegen ihrer hohen Energiedichte in Hörgeräten längst Standard. Aber ein wiederaufladbarer Akku mit nichts als Lithium und Luft ist reine Theorie. In der Praxis gibt es noch ernsthafte Probleme.

Chemisch gesehen ist der Lithium-Sauerstoff- oder Lithium-Luft-Akku gut vergleichbar mit einer Wasserstoff-Brennstoffzelle, aber wesentlich anspruchsvoller. Vereinfacht gesagt wird der Wasserstoff durch Lithium ersetzt. Das Produkt ist kein Wasserdampf, sondern ein festes Lithiumoxid. Außerdem muss die ganze Reaktion mit dem gleichen Apparat wieder umkehrbar sein, anders als in der Brennstoffzelle.

Elektronen müssen einen Umweg machen

Der Trick zur Stromerzeugung ist in beiden Fällen der gleiche. Sauerstoff würde im Prinzip sehr gut mit Lithium-Ionen oder Wasserstoff-Ionen reagieren. Aber diese Reaktion benötigt Elektronen, um ablaufen zu können. Bei normalen chemischen Reaktionen ist das kein Problem. Lithium und Wasserstoff bringen die Elektronen selbst mit, die dann an anderer Stelle in der chemischen Verbindung eingebaut werden. Der Trick besteht nun darin, die Elektronen vorher vom Lithium oder Wasserstoff zu trennen, sodass Ionen entstehen, die für die gleiche chemische Reaktion Elektronen von anderswo benötigen.

In der Lithium-Sauerstoff-Zelle im Labor befindet sich das Lithium hinter einer Membran, durch die sich kein Sauerstoff bewegen kann und auch keine Elektronen, Lithiumionen hingegen schon. Lithium und Sauerstoff kommen also nicht direkt miteinander in Berühung. Die Elektronen müssen über einen Umweg um die Membran herum zur Kathode gelangen, wo die Lithium-Ionen und Sauerstoff miteinander regieren sollen.

Auf dem Umweg, den die Elektronen um die Membran herum machen müssen, treiben sie dann Motoren, Computerchips und andere Geräte an. Brennstoffzellen funktionieren genauso, nur mit Wasserstoff statt Lithium. Aber anders als das entstehende Wasser in der Brennstoffzelle kann das Lithiumoxid nicht einfach als Abgas in die Umwelt entlassen werden. Erstens ist es fest und zweitens wäre Lithiumoxid ein sehr teurer Abfall.

Lithiumperoxid macht den Forschern das Leben schwer

Aber das Lithiumoxid macht auf der Membran Probleme, schon weil es nicht einfach verschwindet. Es leitet den Strom schlecht und behindert damit die chemische Reaktion. Außerdem entsteht bevorzugt ein Lithiumperoxid, also ein Lithiumoxid mit zwei Sauerstoffatomen. Es ist chemisch immer noch sehr reaktiv und kann sehr leicht die Membran beschädigen, mit der das Lithium vom Sauerstoff getrennt wird. Noch dazu wird dabei Lithium gebunden, das anschließend dem Akku nicht mehr zur Verfügung steht.

Forscher der University of Waterloo in Kanada haben jetzt zumindest aus diesem Dilemma einen Ausweg gefunden.