Lithium-Luft vs. Lithium-Ionen: Experten-Einblicke & Leistungsvergleich

Revolutionäres Lithium-Luft-Batteriedesign

„Unser Lithium-Luft-Batteriedesign stellt eine Revolution in der Batteriegemeinschaft dar“, sagt Amin Salehi-Khojin, Assistant Professor für Maschinenbau und Industrietechnik an der University of Illinois at Chicago (UIC).

Salehi-Khojin und Forscher von UIC und Argonne National Laboratory entwickelten eine elektrochemische Zelle, die in natürlicher Luftumgebung funktioniert und nach rekordverdächtigen 750 Lade-/Entladezyklen noch arbeitet.

Funktionsprinzip

Eine Lithium-Luft-Batterie verbindet Sauerstoff aus der Luft mit Lithium im Anodenmaterial. Während der Entladung entsteht Lithiumperoxid, beim Laden zerfällt es wieder in Lithium und Sauerstoff.

Theoretisch können Lithium-Luft-Batteries bis zu fünfmal mehr Energie speichern als gleichgroße Lithium-Ionen-Batterien, die heutige Handys, Laptops und E-Fahrzeuge antreiben.

Frühere Probleme und Lösung

Frühere „Lithium-Luft“-Ansätze scheiterten oft: Lithium-Ionen reagierten mit Kohlendioxid und Wasserdampf in der Luft zu Nebenprodukten, die die Kathode verstopften.

Um Ablagerungen zu verhindern und Betrieb in natürlicher Luft zu ermöglichen, beschichteten die Forscher die Lithium-Anode mit einer dünnen Lithiumcarbonat-Schicht. Diese lässt Lithium-Ionen selektiv in den Elektrolyten passieren, blockiert aber unerwünschte Verbindungen am Anodenmaterial.

In experimentellen Designs gelangt Sauerstoff durch ein kohlenstoffbasiertes, schwammartiges Gitter in den Elektrolyt. Dieses Gitter wurde mit einem Molybdändisulfat-Katalysator beschichtet. Der hybride Elektrolyt (ionische Flüssigkeit und Dimethylsulfoxid) erleichtert Lithium-Sauerstoff-Reaktionen, minimiert Reaktionen mit anderen Luftbestandteilen und steigert den Wirkungsgrad.

Experten-Antworten auf Leserfragen (Larry Curtiss, Argonne)

Laderate?

Curtiss: Derzeit ähnlich wie Li-Ion. Erhöhbar durch weitere Forschung.

Warum übertrifft das Design Li-Ion?

Durch chemische Bindungen zwischen Li und Sauerstoff lässt sich viel mehr Energie speichern, da diese Bindungen energiedichter sind als die Interkalations-Wechselwirkungen zwischen Li und Metalloxidschichten in Li-Ionen-Batterien.

Brand- oder Explosionsgefahr (bei Durchstechen, Überhitzung, Überladung)?

Curtiss: Die Lithium-Anode kann Explosionen verursachen. Viele Wissenschaftler arbeiten an der Sicherheit der Lithium-Anode – das wird viel Aufwand erfordern. Wir haben die Li-Anodenoberfläche jedoch mit einem elektrisch isolierenden, aber ionisch leitenden Material geschützt, um Kurzschlüsse zwischen Anode und Kathode zu verhindern. Das verhindert auch Überhitzung.

Erwartete Ausfallmodi?

Curtiss: Wird bei der Skalierung untersucht.

Weitere Sicherheitsbedenken? Energie-Dichte 5x TNT?

Curtiss: Die Batterie wurde nur im Labormaßstab entwickelt und zeigte in Tests keine dieser Sicherheitsprobleme. Nächster Schritt: Skalierung zu Batteriepacks, Tests, Identifikation und Behebung von Sicherheitsfragen. Überhitzung durch Zellenumkehr sollte in unserem System durch die robuste Schutzschicht der Li-Anodenoberfläche nicht auftreten.

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