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Lithium-Luft-Batterie

Über diesen Artikel

Lesezeit

3 Minuten

Veröffentlichung

11.10.2020

Letztes Update

11.05.2022

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  • Lithium-Luft-Batterie

Forschungsstand sowie Vorteile und Nachteile der Lithium-Luft-Batterie

Inhalt des Wiki-Artikel

Potenziale der Lithium-Luft-Batterie und Alternativen für E-Autos

Um die Leistung von Akkus zu verbessern, werden neue Technologien erforscht und entwickelt, wie die Lithium-Luft-Batterie. Technologisch basiert sie auf der Reduktion von Sauerstoff innerhalb einer Gasdiffusionselektrode. Lithium-Luft-Akkus gehören zur Gruppe der Metall-Luft-Batterien und sind deshalb besonders interessant, weil Lithium unter den Metallen das höchste elektrochemische Potenzial aufweist. Durch Lithium-Luft-Batterien könnte sich die Reichweite von Elektroautos deutlich erhöhen.

Vorteile und Nachteile von Lithium-Luft-Akkus

Mit der neuen Technologie gehen sowohl Vorteile als auch Nachteile einher. Von großem Vorteil ist die hohe Energiedichte von Lithium-Luft-Batterien, die mit 11 140 Wattstunden pro Kilogramm ohne Sauerstoffmasse und 5200 Wattstunden pro Kilogramm mit Sauerstoffmasse fünf- bis zehnfach höher ist als bei einem Lithium-Ionen-Akku. Noch dazu sind Lithium-Luft-Akkus sicherer als Lithium-Ionen-Batterien, da sie nur über einen Reaktanten verfügen, der kathodische Reaktant aus der Luft muss nicht gespeichert werden. Lithium-Luft-Batterien verfügen über das Potenzial für eine hohe Zyklenzahl und eine lange Lagerfähigkeit. Im Vergleich zu anderen Akkus sind sie recht umweltfreundlich.

Nachteile von Lithium-Luft-Akkus im Hinblick auf die Kathoden sind eine niedrige Kapazität und Recyclingfähigkeit durch Passivierung und Blockierung der Kathode aufgrund der Bildung von irreversiblem Lithiumperoxid (Li2O2) und besonders von Lithiumoxid (Li2O). Sind die Entladeraten hoch und der Sauerstoffpartialdruck niedrig, entsteht statt Li2O2 viel Li2O, was zu einer hohen Irreversibilität führt. Nachteilig ist außerdem, dass bei Lithium-Luft-Batterien Elektrolyten durch Verdampfung verlorengehen, da im Elektrolyten die Sauerstofflöslichkeit niedrig und die Wasserlöslichkeit hoch ist. Zudem unterliegen die Anoden Limitierungen, da sie empfindlich gegenüber Feuchtigkeit sind und die Gefahr von Dendritenbildung besteht.

Metall-Luft-Batterien im Vergleich

Neben Lithium-Luft-Batterie gibt es noch einige andere Metall-Luft-Batterien, mit denen sich eine Reichweitenerhöhung von E-Autos realisieren ließe. Geforscht wird unter anderem an einer Aluminium-Luft-Batterie, die prinzipiell deutlich mehr Strom speichern kann als Lithium-Ionen-Akkus. Allerdings müsste sie regelmäßig ausgetauscht und vollständig wiederaufbereitet werden, zudem entlädt sie sich ungenutzt recht schnell. Aluminium-Luft-Batterien haben den Nachteil, dass der Elektrolyt ihre Metallelektrode anfrisst, bis sie untauglich ist. An einer Lösung arbeitet unter anderem ein Team des Massachusetts Institute of Technology, das den Elektrolyten gegen flüssiges Öl austauschte, das die Elektrode schützt. Soll die Batterie Strom abgeben, wird das Öl wieder gegen den Elektrolyten getauscht. Fraglich ist, ob sich ein solch kompliziertes Verfahren durchsetzen kann. Ein Vorteil der Aluminium-Luft-Batterie ist, dass sie sich komplett recyclen lässt.1

Geforscht wird darüber hinaus an einer Natrium-Luft-Batterie. Diese weist zwar im Vergleich zur Lithium-Luft-Batterie nur etwa die Hälfte an Energiedichte auf, dafür ist aber der Rohstoff Natrium leicht zu beschaffen. Außerdem sind die Spannungsverluste beim Laden und Entladen wesentlich geringer. Natrium-Luft-Batterien könnten als Großbatterien für Stromnetze, für Elektroautos und Smartphones genutzt werden. Ähnliche Eigenschaften wie die Natrium-Luft-Batterie weist die Silizium-Luft-Batterie auf, die für sie benötigten Rohmaterialien sind in großer Menge verfügbar.2

Potenzial besitzt außerdem die Zink-Luft-Batterie, die bereits in Form von Knopfzellen zum Beispiel für Hörgeräte genutzt wird. In dieser Form ist sie eine Primärzelle, das heißt, sie kann nicht wieder aufgeladen werden. Zink-Luft-Batterien als wiederaufladbare Sekundärzellen sind in der Entwicklung, grundsätzlich wäre es möglich, eine Energiedichte von mehr als 400 Wattstunden pro Kilogramm zu erreichen. Verglichen mit Lithium-Ionen-Akkus wäre das eine bis zu dreifache Kapazität. Nutzbar wäre die Zink-Luft-Batterie sowohl für E-Autos als auch als Zwischenspeicher für das Stromnetz. Jedoch verändert die Zinkelektrode beim Be- und Entladen ihre Struktur, so dass die Lebensdauer der Batterie beschränkt ist. Bisher sind Energie- und Leistungsdichte sowie der Wirkungsgrad der Zink-Luft-Batterie für praktische Anwendungen noch zu niedrig.3

Lithium-Luft-Batterien für Elektroautos

Eine Lithium-Luft-Batterie kann bis zu zehnmal so viel Energie speichern wie ein Lithium-Ionen-Akku und hat dabei sogar noch weniger Gewicht. Während Elektrofahrzeuge derzeit mit einer Ladung im Durchschnitt 160 Kilometer fahren können, könnten Lithium-Luft-Akkus unter Verwendung von entsprechenden Katalysatoren eine Reichweite von 640 bis 800 Kilometern ermöglichen – damit könnten Elektroautos Benzinern Konkurrenz machen. Bisher ist die Technologie aber noch nicht marktreif. Am Forschen ist unter anderem ein Team von IBM, das einen Prototypen mit einer Energiedichte von 1000 Wattstunden pro Kilogramm konstruieren möchte. Für eine Reichweite von 800 Kilometern wäre allerdings die doppelte Menge nötig. Dass Lithium-Luft-Batterien recht leicht sind, ist ein Vorteil, verbessert werden muss aber noch der Ladevorgang, der bisher zu lange dauert und zu viel Energie verbraucht. Experten schätzen, dass die Marktreife frühestens in den 2030ern erreicht wird.5

Feststoffbatterien für Elektrofahrzeuge

Während einige Unternehmen an Metall-Luft-Batterien forschen, um Elektroautos eine größere Reichweite zu verleihen, setzt Toyota auf eine Feststoffbatterie. Die Vorteile gegenüber Lithium-Ionen-Akkus sind, dass die Feststoffbatterie mehr Strom speichern kann, sich schneller aufladen lässt und nicht leicht entflammbar ist. Angepeilt ist ein Verkauf von E-Autos mit dieser Batterie für 2025. Feststoffbatterien haben aber auch einen Nachteil, denn falls ein Akku sich ein bisschen ausdehnt oder zusammenzieht, kann sich ein flüssiger Elektrolyt anpassen, während bei einem festen die Gefahr besteht, dass der Oberflächenkontakt abreißt und dadurch kein Ladungstransport mehr stattfindet.

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