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Energiespeicher Forschungserfolg – können Elektroautos bald bedeutend weiter fahren?

| Redakteur: Dr. Jörg Kempf

Warum geht Lithium-Luft-Akkus nach nur wenigen Ladezyklen die Luft aus? Dem sind Forscher jetzt nachgegangen – mit Erfolg: Die vielversprechenden Energiespeicher lassen sich nun gezielt optimieren und könnten somit den gängigen Lithium-Ionen-Akkus ernsthaft Konkurrenz machen.

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Funktionsweise eines Lithium-Luft-Akkus (zum Vergrößern die Bildergalerie klicken)
Funktionsweise eines Lithium-Luft-Akkus (zum Vergrößern die Bildergalerie klicken)
(Bild: Forschungszentrum Jülich)

Jülich – Das Wissenschaftler-Team vom Forschungszentrum Jülich und der Technischen Universität München konnte nachweisen, dass während des Betriebs von Lithium-Luft-Akkus eine besonders reaktionsfreudige Form des Sauerstoffs entsteht. Wie sie in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift „Angewandte Chemie“ berichten, ist dieser Singulett-Sauerstoff vermutlich dafür verantwortlich, dass sich der Elektrolyt schnell zersetzt und die Kohlenstoff-Elektrode korrodiert. Diese Entdeckung ermöglicht es, Lithium-Luft-Akkus gezielt zu verbessern.

Lithium-Luft-Akkus können theoretisch die 20-fache Energiedichte heutiger Lithium-Ionen-Akkus erreichen. Für Elektroautos etwa bedeutet das: Sie könnten deutlich weiter als heute fahren, bevor ihre Batterie wieder neu aufgeladen werden muss. Als Heimspeicher könnten die Akkus bei geringem Platzbedarf den Strom horten, den eine Photovoltaik-Anlage auf dem Dach produziert. Er stände dann etwa für Regentage zur Verfügung. Daher forschen Wissenschaftler weltweit an Lithium-Luft-Akkus.

Sie haben dabei wesentlich mit dem Problem zu kämpfen, dass sich diese Akkus nur wenige Male aufladen lassen, bevor sie rapide an Leistungsfähigkeit verlieren oder gar nicht mehr funktionieren. Ursache sind bisher unverstandene Zersetzungsreaktionen vor allem beim Laden. Genau diese haben Jülicher Forscher um Prof. Rüdiger Eichel nun gemeinsam mit Wissenschaftlern der TU München mithilfe einer innovativen Messmethode unter die Lupe genommen.

In die Falle gelockt

Ausgangspunkt war die Vermutung, dass Singulett-Sauerstoff eine wichtige Rolle bei diesen Reaktionen spielt. Dabei handelt es sich um Sauerstoff-Moleküle, die elektronisch angeregt sind. Sie reagieren sehr viel schneller mit den Stoffen in ihrer Umgebung als „normaler“ Sauerstoff. Somit sind sie kurzlebig und schwer nachzuweisen. „Daher haben wir den Singulett-Sauerstoff gleichsam in eine chemische Falle gelockt“, erläutert Eichel. Dabei handelt es sich um eine recht kompliziert aufgebaute chemische Verbindung mit dem Kürzel 4-Oxo-TEMP. Sie reagiert mit dem Singulett-Sauerstoff zu einer Verbindung mit einem freien, ungepaarten Elektron – ein Radikal, wie Fachleute sagen. Solche Radikale lassen sich gut mit der Elektronenspinresonanz-Spektroskopie (ESR) nachweisen.

Die Wissenschaftler aus Jülich und München setzten eine selbstentwickelte Apparatur ein, die Akku und ESR-Messzelle zugleich ist. So war es ihnen möglich, die elektrochemischen Vorgänge im Inneren des Akkus durch ESR-Messungen zu begleiten. Es zeigte sich, dass tatsächlich Singulett-Sauerstoff entsteht. „Nun können wir und andere Forscher gezielt die Vorgänge im Lithium-Luft-Akku so maßschneidern, dass sich kein reaktiver Singulett-Sauerstoff bildet. Damit haben wir einen neuen Ansatzpunkt, um Akkus länger leistungsfähig zu machen“, sagt Rüdiger Eichel. Stellschrauben seien zum Beispiel Zusatzstoffe für den Elektrolyten oder Beschichtungen für die Elektroden.

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