Forschung : Lithium-Luft-Akkus leiden unter reaktivem Sauerstoff

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Forschung: Lithium-Luft-Akkus leiden unter reaktivem Sauerstoff
Bild: Michael Kopp (CC BY 2.0)

Zur Zeit sind die Lithium-Ionen-Akkus noch das Maß aller Dinge, doch dies soll sich künftig ändern. Einen wesentlichen Beitrag dazu haben nun Forscher aus Jülich geleistet, die entdeckt haben, warum Lithium-Luft-Akkus nach kurzer Zeit einen erheblichen Teil ihrer Leistung verlieren.

Wesentlich höhere Energiedichte

Schon seit geraumer Zeit sehen sich Forscher in aller Welt nach einer Alternative für die bekannten Lithium-Ionen-Akkus um. Ein Hoffnungsträger ist dabei die Lithium-Luft-Technik, die eine 20-fach höhere Energiedichte bietet. Damit könnten Elektroautos deutlich länger ohne Ladevorgang im Alltag genutzt werden und auch als Speicher für Notversorgungssysteme ist die Technik im Gespräch.

Bislang scheitert der Einsatz der Lithium-Luft-Technik aber unter anderem daran, dass die Akkus bereits nach wenigen Ladezyklen erheblich an Leistung verlieren oder vollkommen funktionsuntüchtig werden. Die Ursache für dieses Phänomen war bisher unbekannt, bis nun Wissenschaftler der Forschungszentrums Jülich eine neue Idee verfolgten. Ihr Verdacht: Durch eine chemische Reaktion wird eine angeregte, hoch-reaktive Form des Sauerstoffes gebildet, der sogenannte Singulett-Sauerstoff.

Komplizierter Nachweis des Singulett-Sauerstoffs

Singulett-Sauerstoff ist wesentlich reaktionsfreudiger als Sauerstoff im Grundzustand und würde folglich die Korrosion der Kohlenstoff-Elektrode beschleunigen. Gleichzeitig macht seine Reaktionsfreude es schwer, diese angeregte Form des Sauerstoffs nachzuweisen, da sie nur sehr kurzlebig ist.

Aufbau eines Lithium-Luft-Akkus
Aufbau eines Lithium-Luft-Akkus (Bild: Forschungszentrum Jülich)

Die Forscher aus Jülich haben daher zusammen mit der Technischen Universität München eine spezielle Versuchsapparatur aufgebaut, die Akku und Messapparatur in einem ist und den Singulett-Sauerstoff mit Hilfe der chemischen Verbindung 4-Oxo-TEMPO (Kurzform) nachweisen sollte. Der Stoff reagiert dabei mit dem hoch-reaktiven Sauerstoff zu einer Verbindung mit einem freien Elektron. Dieses wiederum lässt sich mit Hilfe von Elektronenspinresonanz-Spektroskopie nachweisen.

Neuer Ansatz zur Weiterentwicklung

Mit dem nun erfolgten Nachweis von Singulett-Sauerstoff wurde allerdings erst die Grundlage für die Weiterentwicklung geschaffen. So können die Forscher weltweit nun die Vorgänge im Lithium-Luft-Akku optimieren, sodass der hoch-reaktive Sauerstoff nicht mehr entsteht. Ansatzpunkte könnten zum Beispiel Zusatzstoffe in den Elektrolyten oder spezielle Beschichtungen der Elektroden sein.