Neueste Batterieentwicklungen: Vier Mal besser als Lithiumbatterien

10.3.2023 Das neue Design der Lithium-Luft-Batterie könnte im Vergleich zur Lithium-Ionen-Batterie eine viel größere Reichweite bieten

Die neue sicherere Batterie, die in einer Testzelle bereits auf tausend Zyklen getestet wurde, kann weit mehr Energie speichern als die heute üblichen Lithium-Ionen-Batterien.

Viele Konsumenten würden sich Elektroautos wünschen, mit denen ihr Fahrzeug mit einer einzigen Ladung mehr als tausend km weit fahren kann. Forscher des Illinois Institute of Technology (IIT) und des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) haben nun eine Lithium-Luft-Batterie entwickelt, die diesen Traum Wirklichkeit werden lassen könnte. Eines Tages könnten auch Flugzeuge und Langstrecken-Lkw mit der neuen Entwicklung betrieben werden.

Die wichtigste neue Komponente dieser Batterie ist ein Festelektrolyt anstelle der üblichen flüssigen Variante. Batterien mit Festelektrolyten unterliegen nicht dem Sicherheitsproblem mit den in Lithium-Ionen- und anderen Batterietypen verwendeten flüssigen Elektrolyten, die überhitzen und Feuer fangen könnten.

Noch beeindruckender ist, dass die Batteriechemie des Teams mit dem Festelektrolyten die Energiedichte möglicherweise um das Vierfache gegenüber Lithium-Ionen-Batterien erhöhen kann, was sich in extrem großen Reichweiten für E-Fahrzeuge niederschlägt.

„ Über ein Jahrzehnt lang haben Wissenschaftler in Argonne und anderswo Überstunden gemacht, um eine Lithiumbatterie zu entwickeln, die den Sauerstoff in der Luft nutzt“, sagt Argonne Wissenschaftler Larry Curtiss. ​„ Die Lithium-Sauerstoff-Batterie hat die höchste prognostizierte Energiedichte aller Batterietechnologien, die für die nächste Generation von Batterien über Lithium-Ionen hinaus in Betracht gezogen werden.“

Bei früheren Lithium-Sauerstoff-Designs bewegt sich das Lithium in einer Lithiummetallanode durch einen flüssigen Elektrolyten, um sich während der Entladung mit Sauerstoff zu verbinden, wodurch an der Kathode Lithiumperoxid (Li 2 O 2 ) oder Superoxid ( LiO 2 ) entsteht. Das Lithiumperoxid oder -superoxid wird dann während des Ladevorgangs wieder in seine Lithium- und Sauerstoffkomponenten zerlegt. Diese chemische Sequenz speichert und gibt Energie nach Bedarf ab.

Der neue Festelektrolyt besteht aus einem keramischen Polymermaterial, das aus relativ kostengünstigen Elementen in Nanopartikelform hergestellt wird. Dieser neue Feststoff ermöglicht chemische Reaktionen, die beim Entladen Lithiumoxid (Li 2 O) erzeugen.

„ Die chemische Reaktion für Lithiumsuperoxid oder -peroxid umfasst nur ein oder zwei gespeicherte Elektronen pro Sauerstoffmolekül, während die für Lithiumoxid vier Elektronen umfasst“, sagte der Argonne-Chemiker Rachid Amine. Mehr gespeicherte Elektronen bedeuten eine höhere Energiedichte.

Es ist die erste Lithium-Luft-Batterie, die bei Raumtemperatur eine Vier-Elektronen-Reaktion erreicht hat. Sie arbeitet auch mit Sauerstoff, der durch Luft aus der Umgebung zugeführt wird. Die Fähigkeit, mit Luft zu laufen, vermeidet den Betrieb von Sauerstofftanks, was bei früheren Entwicklungen ein Problem war.

Frühere Lithium-Luft-Testzellen litten unter sehr kurzen Lebenszyklen, was beim neuen Batteriedesign nicht der Fall ist. Es wurde eine Testzelle für 1000 Zyklen gebaut, die ihre Stabilität bei wiederholtem Laden und Entladen demonstrierte.

"Bei der weiteren Entwicklung erwarten wir, dass unser neues Design für die Lithium-Luft-Batterie auch eine Rekordenergiedichte von 1200 Wattstunden pro Kilogramm erreicht“, sagt Curtiss.​„ Das ist fast viermal besser als Lithium-Ionen-Batterien.“

Die Forschungsergebnisse wurden kürzlich in einer Ausgabe von Science veröffentlicht.