Die Suche nach der reinen Lithium-Anode

Auch die Forschung an Anoden aus Lithium-Metall geht deshalb immer noch weiter. Schließlich wären Anoden aus reinem Lithium, ohne jedes Speichermaterial, der bestmögliche Fall. Regelmäßig werden neue Konzepte untersucht, um das Wachstum der Dendriten zu kontrollieren oder ganz zu unterdrücken. Bisher ist noch keines der Konzepte für bessere Anoden praxistauglich, aber sie sind der Grund für die regelmäßigen Meldungen von einer möglichen Vervielfachung der Batteriekapazität.

So gab es zuletzt die Ankündigung für einen Lithium-Ionen-Akku mit der dreifachen Kapazität heutiger Lithium-Ionen-Akkus. Eine Forschergruppe hat in einem neuen Paper gezeigt, wie so eine Batterie aufgebaut sein könnte. Die Nachricht ging um die ganze Welt. Immerhin war John B. Goodenough, der noch im Alter von 94 Jahren in der Forschung aktiv ist, an der Entwicklung beteiligt. Ein Durchbruch war die neue Entwicklung trotzdem nicht. Die Autoren schreiben selbst von nicht mehr als einer "neuen möglichen Strategie" zur Entwicklung einer besseren Batterie.

Ein Elektrolyt aus Glas

Der neue Akku kommt ohne einen flüssigen Elektrolyten aus. Stattdessen kommt eine Schicht aus Glaspartikeln oder Glasfasern zum Einsatz, die trotzdem den Transport von Lithium-Ionen ermöglicht. Lithium kann solche Glasoberflächen vollständig benetzen, ähnlich wie es Wasser auf den meisten Oberflächen tut. Die Entstehung von Dendriten, den verästelten Fortsätzen an Lithium-Anoden, kann dadurch verhindert werden. Normalerweise entstehen sie nur an der Grenzschicht zwischen dem Lithium und dem Elektrolyten.

Im Labor funktionierte der Aufbau. Allerdings durchlief der Akku nur 48 Ladezyklen, bei denen er langsam für jeweils zehn Stunden geladen und entladen wurde. Von der Serienreife ist die Technik damit noch weit entfernt. Der Akku muss nicht nur seine Standfestigkeit über Hunderte, wenn möglich Tausende von Zyklen beweisen. Er sollte für den kommerziellen Einsatz nach Möglichkeit auch schneller geladen und entladen werden.

Selbst wenn die Lithium-Metall-Anode funktionierte, gäbe es noch ein prinzipielles Problem. Reines Lithium-Metall ist feuergefährlich. Es bildet Wasserstoff und brennt, wenn es in Kontakt mit Wasser kommt. Es werden für solche Akkus neue Regularien oder technische Sicherheitsmaßnahmen entwickelt werden müssen. Schon herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus können unter Umständen feuergefährlich sein. Das liegt vor allem an der Kathode.

Lithium-Kobalt-Oxid ist heißes Zeug

Lithium-Kobalt-Oxid hat die bedauernswerte Eigenschaft, sich bei Temperaturen über 200 Grad chemisch selbst zu zersetzen. Bei dieser Reaktion wird noch mehr Energie frei, woraufhin sich das Material noch mehr aufheizt und noch schneller zersetzt. Verschlimmert wird das durch den brennbaren Elektrolyten. Der besteht in heutigen Lithium-Ionen-Akkus aus Kohlenwasserstoffverbindungen. Er verdampft in dem aufgeheizten Akku, setzt ihn unter Druck und kann ihn zum Platzen bringen. Der so aufgeheizte Elektrolyt kann dann an der Luft in Brand geraten. Mit dem Elektrolyten aus Glas könnte sich der Akku zwar immer noch aufheizen, aber er würde nicht unter Druck gesetzt werden.

Alternativ können auch ganz andere Materialien eingesetzt werden, wie etwa Kathoden aus Lithium-Eisen-Phosphat, die auch noch bei hohen Temperaturen stabil sind. Sie sind besonders gut dafür geeignet, viel Energie in der gleichen Zeit abzugeben, also mehr Leistung, und halten mehr Ladezyklen stand. Aber sie speichern beim gleichen Gewicht weniger Energie, weshalb die Technik nicht in allen Akkus zum Einsatz kommt.

Aber mit der Entwicklung von Lithium-Metall-Anoden könnten ganz neue Konzepte für die Kathode umgesetzt werden, bei denen diese Kompromisse nicht gemacht werden müssen. Zurzeit bestehen Kathoden hauptsächlich deshalb aus Lithium-Verbindungen, weil in den Graphitanoden selbst kein Lithium vorhanden ist. Kein Lithium-Ionen-Akku kommt ohne Lithium aus. Aber mit einer Anode aus Lithium könnte die Kathode aus einem ganz anderen Material bestehen, wie etwa Schwefel. Schwefelkathoden könnten zwei Lithium-Atome mit jedem Schwefelatom binden. Im Gegensatz zu Lithium-Kobalt-Oxid würde der Schwefel dabei viel weniger zum Gewicht des Akkus beitragen. Aber auch hier gibt es Probleme.