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Singulett-Sauerstoff

Ursache der Degradation von Lithium-Luft-Akkus gefunden

6. Juni 2016, 16:45 Uhr | Hagen Lang

Johannes Wandt zeigt das von ihm gebaute Messröhrchen für die Elektronenspinresonanz-Versuche.

Lithium-Luft-Akkus haben eine erheblich höhere Energiedichte als Lithium-Ionen-Akkus. Allerdings versagen sie nach wenigen Ladevorgängen. Die Ursache könnte reaktiver Singulett-Sauerstoff sein, den ein Team der TU-München und des FZ Jülich identifiziert hat.

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Lithium-Ionen-Akkus sind relativ voluminös und durch die Elektroden aus Metalloxiden recht schwer. Mögliche Schlankheitskuren für den Batteriespeicher werden daher untersucht. »Einer der vielversprechendsten Ansätze ist der Lithium-Luft-Akku, bei dem die Lithiumkobaltoxid-Kathode durch poröse Kohlenstoffpartikel ersetzt wird«, erklärt Johannes Wandt, Doktorand im Team von Prof. Hubert Gasteiger am Lehrstuhl für Technische Elektrochemie der TUM.

»Die theoretische Energiedichte dieser neuen Akkus ist deutlich höher als die traditioneller Lithium-Ionen-Akkumulatoren«, so Wandt. Die Technik sei 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. »Das Problem ist, dass bisher niemand genau wusste, woran das liegt«, so Wandt.

Ein komplizierter Versuchsaufbau und ein Rechenfehler, der die Reaktion, bei der sich Singulett-Sauerstoff bildet, erst bei wesentlich höheren Spannung vorhersagte, führte dazu, dass die Wissenschaft bislang nicht wirklich nach dem hochreaktiven Stoff suchte. Wandt und seinen Forscherkollegen von der TU München und dem Forschungszentrum Jülich ist jetzt erstmals der Nachweis von Singulett-Sauerstoff gelungen. Der beim Aufladen entstehende Stoff korrodiert innerhalb von Sekundenbruchteilen umgebende Materialien.

In dem speziell gebauten Lithium-Luft-Akku der Forscher sind die Stromabnehmer in einem transparenten Glasgehäuse dünn in Form einer Helix angeordnet. »Außerdem haben wir der Elektrolytflüssigkeit Moleküle beigemengt, die den kurzlebigen Singulett-Sauerstoff einfangen und als stabiles Radikal an sich binden«, sagt Wandt. »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.«

Damit ist die Voraussetzung für den nächsten Schritt geschaffen: Die Klärung der Frage, wie sich die Bildung von Singulett-Sauerstoff beim Laden verhindern lässt. »Diese Grundlagenforschung könnte die Voraussetzung schaffen für die Entwicklung neuer, langlebigerer Lithium-Luft-Akkus«, hofft Wandt.