Argonne: Lithium-Luft-Batterie 1200 Wh/kg, 1000 Zyklen

Viele Besitzer von Elektroautos haben sich eine Batterie gewünscht, die ihr Fahrzeug mit einer einzigen Ladung über tausend Meilen mit Strom versorgen kann. Forscher des Illinois Institute of Technology (IIT) und des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) haben eine Lithium-Luft-Batterie entwickelt, die diesen Traum Wirklichkeit werden lassen könnte. Das neue Batteriedesign des Teams könnte eines Tages auch inländische Flugzeuge und Langstrecken-Lkw antreiben.

Die neue Hauptkomponente dieser Lithium-Luft-Batterie ist ein Festelektrolyt anstelle der üblichen flüssigen Variante. Festelektrolytbatterien unterliegen nicht dem Sicherheitsproblem mit flüssigen Elektrolyten, die in Lithium-Ionen-Batterien und anderen Batterietypen verwendet werden, die überhitzen und Feuer fangen können.

"Die Lithium-Luft-Batterie hat die höchste prognostizierte Energiedichte aller Batterietechnologien, die für die nächste Generation von Batterien nach Lithium-Ionen in Betracht gezogen werden." —Larry Curtiss, Argonne Distinguished Fellow

Am wichtigsten ist, dass die Batteriechemie des Teams mit Festelektrolyt die Energiedichte im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien potenziell um das bis zu Vierfache erhöhen kann, was sich in einer längeren Batterielebensdauer niederschlägt.

"Seit mehr als einem Jahrzehnt arbeiten Wissenschaftler in Argonne und anderswo an der Entwicklung einer Lithiumbatterie, die Sauerstoff aus der Luft nutzt", sagte Larry Curtiss, ein Argonne Distinguished Fellow. "Die Lithium-Luft-Batterie hat die höchste prognostizierte Energiedichte aller Batterietechnologien, die für die nächste Generation von Batterien nach Lithium-Ionen in Betracht gezogen werden."

In älteren Lithium-Luft-Designs bewegt sich Lithium in einer Lithium-Metall-Anode durch einen flüssigen Elektrolyten, um sich während der Entladung mit Sauerstoff zu verbinden und an der Kathode Lithiumperoxid (Li2O2) oder Superoxid (LiO2) zu erzeugen. Das Lithiumperoxid oder -superoxid wird dann während des Ladens in seine Bestandteile Lithium und Sauerstoff zerlegt. Diese chemische Sequenz speichert und gibt Energie nach Bedarf ab.

Der neue Festelektrolyt des Teams besteht aus einem keramischen Polymermaterial, das aus relativ kostengünstigen Elementen in Form von Nanopartikeln hergestellt wird. Dieser neue Feststoff ermöglicht chemische Reaktionen, die während der Entladung Lithiumoxid (Li2O) erzeugen.

"Die chemische Reaktion von Superoxid oder Lithiumperoxid umfasst nur ein oder zwei gespeicherte Elektronen pro Sauerstoffmolekül, während die von Lithiumoxid vier Elektronen umfasst", erklärte der Argonnais-Chemiker Rachid Amine. Mehr gespeicherte Elektronen bedeuten eine höhere Energiedichte.

Das Lithium-Luft-Design des Teams ist die erste Lithium-Luft-Batterie, die eine Vier-Elektronen-Reaktion bei Raumtemperatur erreicht hat. Es funktioniert auch mit Sauerstoff, der aus der Umgebungsluft zugeführt wird. Die Fähigkeit, mit Luft zu arbeiten, vermeidet die Notwendigkeit, Sauerstofftanks zu betreiben, ein Problem bei früheren Konstruktionen.

Das Team verwendete viele verschiedene Techniken, um festzustellen, dass tatsächlich eine Vier-Elektronen-Reaktion stattfand. Eine Schlüsseltechnik war die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) von Entladungsprodukten auf der Kathodenoberfläche, die am Center for Nanoscale Materials in Argonne, einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science, durchgeführt wurde. Die TEM-Bilder lieferten wertvolle Informationen über den Vier-Elektronen-Entladungsmechanismus.

Alte Lithium-Luft-Testzellen litten unter einer sehr kurzen Lebensdauer. Das Team stellte fest, dass dieser Mangel bei seinem neuen Batteriedesign nicht der Fall war, indem es eine Testzelle für 1.000 Zyklen baute und betrieb und ihre Stabilität bei wiederholtem Laden und Entladen demonstrierte.

"Mit weiteren Entwicklungen erwarten wir, dass unser neues Lithium-Luft-Batteriedesign auch eine bisher unerreichte Energiedichte von 1.200 Wattstunden pro Kilogramm erreichen wird", sagte Curtiss. "Das ist fast viermal besser als Lithium-Ionen-Akkus."

Diese Forschungsarbeit wurde kürzlich in einer Ausgabe von Science veröffentlicht. Zu den Autoren der Argonne gehören Larry Curtiss, Rachid Amine, Lei Yu, Jianguo Wen, Tongchao Liu, Hsien-Hau Wang, Paul C. Redfern, Christopher Johnson und Khalil Amine. Zu den IIT-Autoren gehören Mohammad Asadi, Mohammadreza Esmaeilirad und Ahmad Mosen Harzandi. Zu den Autoren der University of Illinois at Chicago gehören Reza Shahbazian-Yassar, Mahmoud Tamadoni Saray, Nannan Shan und Anh Ngo.

Die Forschung wurde vom DOE Vehicle Technologies Office und dem Office of Basic Energy Sciences über das Joint Center for Energy Storage Research finanziert.