Lithium-Luft-Akkus Ursache für schnelles Altern entdeckt

Messröhrchen für Elektronenspinresonanz-Versuche zur Untersuchung von Lithium-Luft-Akkus.
Messröhrchen für Elektronenspinresonanz-Versuche zur Untersuchung von Lithium-Luft-Akkus.

Lithium-Luft-Akkus gelten als Zukunftstechnologie. Doch noch machen die neuen Energiespeicher schon nach wenigen Ladezyklen schlapp. Woran das liegt, haben jetzt Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) und des Forschungszentrums Jülich herausgefunden.

Die heute gängigen Lithium-Ionen-Akkus enthalten schwere Elektroden aus Übergangsmetalloxiden. Leichtgewichtige Alternativen sind daher gefragt. Einer der vielversprechendsten Ansätze ist der Lithium-Luft-Akku, bei dem die Lithiumkobaltoxid-Kathode durch poröse Kohlenstoffpartikel ersetzt wird. Die theoretische Energiedichte dieser neuen Akkus ist deutlich höher als die traditioneller Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Die Technik ist bisher allerdings nicht praxistauglich, weil die Lithium-Luft-Akkus nur eine sehr kurze Lebenszeit haben: Schon nach wenigen Ladezyklen ist die Kohlenstoff Elektrode korrodiert und die Elektrolyt-Flüssigkeit zersetzt sich. Woran das liegt, war bislang unbekannt.

Münchner Wissenschaftler haben zusammen mit Experten vom Forschungszentrum Jülich nun einen ein potenziellen Übeltäter identifiziert, der Elektroden und Elektrolyt-Flüssigkeit angreift: Beim Aufladen des Akkus entsteht Singulett-Sauerstoff. Dieser ist extrem reaktionsfreudig. Innerhalb von Sekundenbruchteilen korrodiert er umgebende Materialien. Der Verdacht, dass Singulett-Sauerstoff den Akku schädigt, ist nicht ganz neu. Doch erst jetzt konnten die Forscher den hochreaktiven Stoff nachweisen. Auf Grund eines Rechenfehlers war die Forscher-Community fälschlicherweise davon ausgegangen, dass die Reaktion erst bei höheren Spannungen auftritt.

Um den Ladevorgang genauer untersuchen zu können, bauten die TUM-Forscher einen speziellen Lithium-Luft-Akku. Die Stromabnehmer sind dünn und in Form einer Helix angeordnet, ein Glasgehäuse sorgt für Transparenz. So ist sichergestellt, dass die für die Messung wichtigen Mikrowellenstrahlen und Magnetfelder nicht abgeschirmt werden. Außerdem wurden der Elektrolytflüssigkeit Moleküle beigemengt, die den kurzlebigen Singulett-Sauerstoff einfangen und als stabiles Radikal an sich binden. In einem speziellen Messgerät für Elektronen-Paramagnetische-Resonanz Spektroskopie, kurz EPR, in Jülich ist es auf diese Weise gelungen, die Bildung von Singulett-Sauerstoff während des Ladens nachzuweisen.

Das Problem ist damit erkannt, wenn auch nicht gebannt. Als nächstes wollen die Forscher nun herausfinden, wie sich die Entstehung von Singulett-Sauerstoff beim Laden verhindern lässt. Diese Grundlagenforschung könnte die Voraussetzung schaffen für die Entwicklung neuer, langlebigerer Lithium-Luft-Akkus.