Flockige Kohleelektroden bringen Lithium-Luft-Batterien näher an die Realität

Zehnmal mehr Energie als Lithium-Ionen - aber noch zehn Jahre: Eine flockige Kohlenstoffelektrode hat Wissenschaftler der Universität Cambridge einen Schritt näher zur Herstellung einer funktionsfähigen Lithium-Luft-Batterie gebracht, aber viele technische Herausforderungen bleiben.

Heutige Lithium-Ionen-Batterien sind leicht, aber voluminös für die Ladung, die sie speichern. Andere Batteriechemien haben eine bessere Energiedichte. Seit Jahren suchen Wissenschaftler nach Wegen, Batterien mit allen Vorteilen von Li-Ionen herzustellen, die aber weniger Platz benötigen.

Lithium-Luft-Batterien mit einer zehnfach höheren theoretischen Energiedichte als Li-Ionen Der experimentelle Ansatz hat sich bisher als instabil erwiesen, mit schlechten Lade- oder Entladeraten und niedriger Energieeffizienz. Schlimmer noch, sie können nur in reinem Sauerstoff betrieben werden, was sie für den Gebrauch in normaler Atmosphäre unpraktisch macht.

Das atmosphärische Problem ist immer noch ungelöst, aber in einem am Freitag in der Fachzeitschrift Science veröffentlichten Artikel beschreiben Forscher der Universität Cambridge, wie sie das tun haben einige der Stabilitäts- und Effizienzprobleme durch Zugabe von Lithiumiodid und Verwendung einer fluffigen Kohlenstoffelektrode aus Graphenblättern gelöst.

Die positiven und negativen Elektroden in Li-Ionen-Batterien bestehen aus einem Metalloxid bzw. aus Graphit. Ein in organischem Lösungsmittel gelöstes Lithiumsalz fungiert als Elektrolyt und transportiert Lithiumionen zwischen den beiden Elektroden.

In der von Tao Liu, Clare P. Gray und Kollegen in Cambridge entwickelten Lithium-Luft-Batterie besteht die Kohlenstoffelektrode aus eine poröse Form von Graphen.

Sie beschlossen, Ladung durch Bildung und Entfernung von kristallinem Lithiumhydroxid (LiOH) statt Lithiumperoxyd zu speichern, das in anderen Lithium-Luft-Batterie-Designs verwendet wurde.

Durch Zugabe von Lithiumiodid konnten sie vermeiden viele der unerwünschten chemischen Reaktionen, die frühere Designs langsam vergiftet haben. Dies verbesserte die Stabilität der Zelle auch nach mehreren Lade- und Entladezyklen. Bislang konnten sie die Zelle 2000-mal aufladen.

Diese und andere Verbesserungen an ihrem Design erlaubten es ihnen, die Spannungslücke zwischen Ladung und Entladung im Vergleich zu Li-Ionen-Zellen, etwa 0,2 Volt, im Vergleich zu halten zu 0.5-1V für andere Lithiumluftentwürfe. Das macht ihre Zelle zu 93 Prozent energieeffizienter.

Es gibt jedoch noch eine ganze Reihe von Problemen, die gelöst werden müssen, bevor die Batterie in die kommerzielle Produktion gehen kann. Seine Kapazität hängt stark von der Lade- und Entladerate ab und ist immer noch anfällig für die Bildung von Dendriten, Fasern aus reinem Lithium, die die Elektrode der Batterie kurzschließen und eine Explosion verursachen können. Hinzu kommt das Problem der Luft, die neben dem reinen Sauerstoff, den die Versuchszelle benötigt, Stickstoff, Kohlendioxid und Wasserdampf enthält.