Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/energietechnik-die-verlockung-der-lithium-luft-akkus-1809-136541.html    Veröffentlicht: 12.09.2018 17:15    Kurz-URL: https://glm.io/136541

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.

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.



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.

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.  (fwp)


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