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Meldung
19.05.2023, 14:07 Uhr

Forschende wollen leistungsstarke Lithium-Luft Batterien entwickeln

Oldenburg - Die Suche nach neuen und leistungsfähigen Batterien läuft weltweit auf Hochtouren. Ein Ansatz sind Lithium-Luft-Batterien, die zumindest theoretisch zehnmal so viel Energie speichern können wie herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus. Ein neuer Membranansatz soll den Hochenergie-Stromspeichern zum Durchbruch verhelfen.

Am Projekt „Alternative Materialien und Komponenten für aprotische Lithium/Sauerstoff-Batterien: Chemie und Stabilität der Inaktiv-Komponenten – AMaLiS 2.0“ sind das Unternehmen Iolitec - Ionic Liquids Technologies aus Heilbronn sowie die Universität Oldenburg, das MEET Batterieforschungszentrum an der Universität Münster sowie das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Bremen beteiligt. Ziel ist der Nachweis eines stabilen und wiederaufladbaren Prototypen-Gesamtsystems einer Lithium-Luft Batterie.

Lithium-Luft Batterien – sehr hohe Speicherdichte und geringes Gewicht
Lithium-Luft-Batterien funktionieren grundsätzlich wie herkömmliche Batterietypen, wobei die Reaktion von Lithium-Ionen mit Sauerstoff aus der Luft an der positiven Elektrode dazu dient, einen Stromfluss zu erzeugen. Diese Batterien haben den großen Vorteil, dass sie pro Kilogramm fast so viel Energie speichern können wie fossile Kraftstoffe.

Bei vergleichbarer Speicherkapazität hätten sie daher nur einen Bruchteil des Gewichts aktueller Akkus und wären daher für den Einsatz in Elektroautos attraktiv, aber auch für stationäre Speicher. „Bis dahin sind allerdings noch eine Reihe technischer Probleme zu bewältigen“, sagt Prof. Dr. Gunther Wittstock von der Universität Oldenburg. Eins davon ist, dass es bislang noch keine Elektrolytflüssigkeiten gibt, die sowohl an der positiven als auch an der negativen Elektrode chemisch stabil sind. Solche elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten befinden sich in Batterien zwischen den beiden Elektroden.

Neuer Membran-Konzeptansatz: Lithium-Luft Batterien mit unterschiedlichen Elektrolyten
Im Fall von Lithium-Luft-Batterien besteht eine Elektrode aus metallischem Lithium, die andere aus einer porösen Verbindung, an der Sauerstoff (O2) aus der Luft reduziert wird. Beim Entladevorgang bewegen sich positiv geladene Lithium-Ionen durch die Elektrolytflüssigkeit zur anderen Elektrode, wo sie sich mit Sauerstoff und Elektronen aus dem externen Stromkreis zu Lithiumoxid verbinden. Dabei fließt ein elektrischer Strom, der Energie für elektrische Geräte liefert. Beim Laden der Batterie trennen sich Lithium und Sauerstoff wieder, Ionen und Elektronen wandern in die umgekehrte Richtung.

Um die Stabilität der Lithium-Luft-Batterie zu erhöhen, setzt das Forschungskonsortium auf den Ansatz einer trennenden Membran zwischen der positiven und der negativen Elektrode. Der Vorteil liegt darin, dass unterschiedliche Elektrolyte auf beiden Seiten verwendet werden können und gleichzeitig sich die Anzahl der in Frage kommenden Elektrolyte dadurch deutlich erhöht.

Gezielte Aufgaben- und Arbeitsteilung
Das Oldenburger Team um Wittstock untersucht die Vorgänge auf der Oberfläche des Separators und der Elektroden mit verschiedenen Verfahren. Die Entwicklung der Trennschicht übernimmt Iolitec gemeinsam mit einem Team des MEET Batterieforschungszentrums der Universität Münster, das von Verena Küpers geleitet wird. „Wir testen verschiedene Beschichtungen, die speziell an die Herausforderungen der jeweiligen Elektrode angepasst sind“, erläutert Küpers. Am Fraunhofer IFAM kümmern sich Forschende um Dr. Daniela Fenske um die Herstellung einer neuartigen Elektrode aus nanostrukturiertem Titancarbid. „Sie soll mit einer speziellen Membran kombiniert werden, die das Eindringen störender Luftbestandteile wie Kohlendioxid oder Wasserdampf in die Zelle verhindert“, erläutert Fenske.

Über das Lithium-Sauerstoff Batterieprojekt
Das Projekt „Alternative Materialien und Komponenten für aprotische Lithium/Sauerstoff-Batterien: Chemie und Stabilität der Inaktiv-Komponenten – AMaLiS 2.0“ wird vom Bundesforschungsministerium über drei Jahre mit insgesamt rund 1,1 Millionen Euro gefördert. Am Ende wollen die Forschenden mit einem Prototyp den Nachweis erbringen, dass sich grundsätzlich ein stabiles und wiederaufladbares Gesamtsystem realisieren lässt. Geplant ist der Bau einer Flachzelle mit einer Fläche von 25 Quadratzentimetern.

Die Förderung erfolgt unter den Förderkennzeichen 03XP0521A-D im Rahmen der Fördermaßnahme Batterie 2020 Transfer.

Quelle: IWR Online
© IWR, 2023


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