Lithium-Luft-Akkumulator

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Der Lithium-Luft-Akkumulator ist eine mit Stand 2015 in der Laborforschung befindliche Ausführung eines wiederaufladbaren Lithiumakkumulators mit einer Zellspannung von 2,96 V.

Es existieren mehrere mögliche Ausführungsformen, die seit Jahren Thema verschiedener Forschungsarbeiten sind. Der Grund für die Forschungstätigkeiten in diesem Bereich liegt in der theoretisch hohen spezifischen Energie von 11,14 kWh/kg. Damit würden Lithium-Luft-Akkumulator eine um ca. 10- bis 20-fach höhere spezifische Energie als herkömmliche Lithiumionenakkumulatoren aufweisen.[1]

Aufbau[Bearbeiten]

Lade- und Entladezyklus am Lithium-Luft-Akkumulator

Trotz der in Details unterschiedlichen Ausführungsformen ist das grundlegende Funktionsprinzip bei allen Lithium-Luft-Akkumulatortypen identisch. Bei der Entladung wird an der negativen Elektrode, ausgeführt aus metallischen Lithium unter Abgabe eines Elektrons ein positives Lithiumion über den Elektrolyten an die positive Elektrode abgegeben, wohin das Elektron über einen äußeren Leiter gelangt. In Gegenwart von Lithiumionen wird der Sauerstoff (O2) reduziert, wobei zunächst Lithiumperoxid (Li2O2) und danach Lithiumoxid (Li2O) entsteht. Bei der Ladung des Akkumulators kehrt sich dieser Vorgang um: An der positiven Elektrode wird Sauerstoff (O2) abgegeben, an der negativen Elektrode metallisches Lithium abgeschieden.

Die positive Elektrode ist als mesoporöser Kohlenstoff aufgebaut und ist am elektrochemischen Prozess nicht direkt beteiligt. Der Kohlenstoff dient als elektrischer Leiter und Anschluss, die mesoporöse Struktur zur Maximierung der Oberfläche um die Reduktion des Sauerstoffs und den Zutritt der Lithiumionen zu erleichtern. Die negative Elektrode besteht aus einem Block aus metallischen Lithium. Zwischen den beiden Elektroden befindet sich ein Elektrolyt, welcher je nach Ausführungsform in flüssiger Form oder auch fest sein kann. Im letzteren Fall liegt ein Festkörperakkumulator vor.

Technische Schwierigkeiten[Bearbeiten]

Die reale Umsetzung von Lithium-Luft-Akkumulatoren stößt auf verschiedene Schwierigkeiten, weshalb sich dieser Akkumulatortyp gegenwärtig auf Forschungstätigkeiten ohne praktische Bedeutung beschränkt. Zu den Hauptproblemen des Lithium-Luft-Akkumulators zählen unter anderem:[2]

  • An der mesoporösen Elektrode aus Kohlenstoff kommt es zu einer Verstopfung, welche die Kapazität reduziert.
  • Die Wirkungen der Porengröße und deren Verteilung im Kohlenstoff werden nur unvollständig verstanden.
  • Wird der Sauerstoff der Umgebungsluft entnommen, kann es durch den in der Umgebungsluft immer vorhandenen Wasserdampf (Luftfeuchtigkeit) zu einer Beeinträchtigung der galvanischen Zelle kommen. Ist die Zelle hermetisch abgeschlossen, sinkt die hohe spezifische Energie, da das Reservoir für den Sauerstoff mitgerechnet werden muss.
  • An der metallischen Lithiumelektrode kann es durch ungewolltes Kristallwachstum und die Ausbildung von sogenannten Dendriten zu inneren elektrischen Kurzschlüssen im Akkumulator kommen.

Angesichts der vielen Schwierigkeiten sieht der Batteriematerialforscher M. Stanley Whittingham keine Chance auf einen Einsatz von Lithium-Luft-Battereien in Elektrofahrzeugen.[3] Viele Forscher würden sie sogar als hoffnungslosen Fall betrachten.[3]

Historisches[Bearbeiten]

Die hohe theoretische Energiedichte von Lithium-Luft-Batterien ist schon lange bekannt. Nachdem gezeigt worden war, dass eine Verwendung von Lithium in wässrigen konzentrierten LiOH-Lösungen denkbar sei,[4] wurde eine wasserbasierte Lithium-Luft-Batterie Anfang der 1980er Jahre auch im Hinblick auf eine Verwendung in Elektrofahrzeugen bewertet.[5] Die damalige US-Studie sprach von einer geringen Wahrscheinlichkeit eines erfolgreichen Einsatzes, insbesondere weil die US-amerikanischen Lithiumreserven für einen breiten Einsatz nicht ausreichen würden.[5] 1987 wurde ein Hochtemperatur-Lithium-Luft-Akkumulator vorgestellt, der einen festen Elektrolyten auf Zirkoniumoxidbasis verwendete.[6] 1996 wurde ein Lithium-Luft-Akkumulator mit Polymerelektrolyt vorgestellt.[7][8]

Forschende[Bearbeiten]

Der Lithium-Luft-Akku ist noch nicht kommerziell erhältlich, ein Großteil der Forschung am Lithium-Luft-Akku erfolgt mit öffentlichen Geldern, z.B. an Universitäten. Es gibt aber auch Firmen, die sich an der Forschung beteiligen, z.B. die Firma PolyPlus Battery Company Inc.[9][10] Auch die Firmengruppe Yardney Technical Products/Lithion Inc. hat schon daran gearbeitet.[11] IBM startete 2009 das "Battery 500"-Projekt, das ebenfalls die Entwicklung einer Lithium-Luft-Zelle zum Ziel hatte.[12] In Deutschland arbeitete ein Firmenkonsortium unter Beteiligung der Firmen Schott AG, Volkswagen AG, Chemetall/ Rockwood Lithium und Varta Microbattery am Lithium-Luft-System.[13]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1.  G. Girishkumar, B. McCloskey, A. C. Luntz, S. Swanson, W. Wilcke: Lithium-Air Battery: Promise and Challenges. In: The Journal of Physical Chemistry Letters. 1, Nr. 14, 2010, S. 2193–2203, doi:10.1021/jz1005384.
  2.  A. Kraytsberg, Y. Ein-Eli: Review on Li–air batteries—Opportunities, limitations and perspective. In: Journal of Power Sources. 196, Nr. 3, 2011, S. 886–893, doi:10.1016/j.jpowsour.2010.09.031.
  3. a b  Richard van Noorden: The rechargeable revolution: A better battery. In: Nature. 507, 5. März 2014, S. 26–28, doi:10.1038/507026a.
  4.  E. L. Littauer and K. C. Tsai: Anodic Behavior of Lithium in Aqueous Electrolytes. I. Transient Passivation. In: The Electrochemical Society (Hrsg.): Journal of The Electrochemical Society. 123, Nr. 6, Juni 1976, ISSN 1945-7111, S. 771–776, doi:10.1149/1.2132931.
  5. a b  Ralph J. Brodd, A. John Appleby, Ernest B. Yeager, National Research Council (U.S.). (Hrsg.): Assessment of Research Needs for Advanced Battery Systems. Report of The Committee on Battery Materials Technology. HMAB-390, National Academy Press, Washington, D.C. 1982, Part 3. Reports on Specific Battery Systems, 3.4. Metal Air and Zn-MnO2 Battery Systems, 3.4.5. Lithium-Air System, S. 92–94 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche, abgerufen am 27. Juni 2015).
  6.  Krystyna W. Semkow, Anthony F. Sammells: A Lithium Oxygen Secondary Battery. In: The Electrochemical Society (Hrsg.): Journal of The Electrochemical Society. 134, Nr. 8, August 1987, ISSN 1945-7111, S. 2084–2085, doi:10.1149/1.2100826.
  7.  Kuzhikalail M. Abraham, Zhiping Jiang: A Polymer Electrolyte‐Based Rechargeable Lithium/Oxygen Battery. In: The Electrochemical Society (Hrsg.): Journal of The Electrochemical Society. 143, Nr. 1, Januar 1996, ISSN 1945-7111, S. 1–5, doi:10.1149/1.1836378.
  8. Patent US5510209: Solid polymer electrolyte-based oxygen batteries. Angemeldet am 5. Januar 1995, veröffentlicht am 23. April 1996, Anmelder: Eic Laboratories, Inc., Erfinder: Kuzhikalail M. Abraham, Zhiping Jiang (Verfallenes Patent).
  9. Advanced Lithium Battery Technology - Lithium Air. PolyPlus Battery Company Inc., 2009, abgerufen am 29. Juli 2015.
  10. Steven J. Visco: Manufacturing of Protected Lithium Electrodes for Advanced Lithium-Air, Lithium-Water & Lithium-Sulfur Batteries. In: AMO PEER REVIEW, MAY 28-29, 2015. US Department of Energy, 28. Mai 2015, abgerufen am 29. Juli 2015 (pdf, The Advanced Manufacturing Office (AMO) conducted a Peer Review of its Research, Development, and Demonstration (RD&D), Facilities, and Analysis activities in Washington, DC, on May 28-29, 2015).
  11. Arthur Dobley, Joseph DiCarlo, Kuzhikalail M. Abraham: Non-aqueous Lithium-Air Batteries with an Advanced Cathode Structure. In: The proceedings of the 41st Power Sources Conference, Philadelphia, PA June 2004. 2004, abgerufen am 29. Juli 2015.
  12. Winfried Wilcke: The Battery 500 Project. IBM Research, abgerufen am 29. Juli 2015.
  13. Christine Fuhr, Klaus Bernhard Hofmann: Mehr Reichweite für Elektroautos. In: Presseinformationen der SCHOTT AG. SCHOTT AG, Mainz, 23. Januar 2013, abgerufen am 29. Juli 2015.