Akku der Zukunft: Lithium-Luft Batterie hat doppelte Power

Japanische Wissenschaftler eines Technologiekonzerns und des National Institute for Material Science haben eine Lithium-Luft-Akku vorgestellt, der im Vergleich zu Lithium-Ionen-Akkus die doppelte Energiedichte aufweist.

Fahrzeug-Akkus sollen in Zukunft Reichweiten wie beim Verbrenner ermöglichen.| Foto: GM
Fahrzeug-Akkus sollen in Zukunft Reichweiten wie beim Verbrenner ermöglichen.| Foto: GM
Thomas Kanzler

Technologisch basiert sie auf der Reduktion von Sauerstoff innerhalb einer Gasdiffusionselektrode. Lithium-Luft-Akkus gehören zur Gruppe der Metall-Luft-Batterien und sind besonders interessant, weil Lithium unter den Metallen das höchste elektrochemische Potenzial aufweist. Durch Lithium-Luft-Batterien könnte sich die Reichweite von Elektroautos deutlich erhöhen.

Während Elektrofahrzeuge derzeit mit einer Ladung im Durchschnitt knapp 200 Kilometer fahren können, könnten Lithium-Luft-Akkus unter Verwendung von entsprechenden Katalysatoren eine Reichweite von 640 bis 800 Kilometern ermöglichen.

Vorteile und Nachteile der Technologie

Von großem Vorteil ist die hohe Energiedichte von Lithium-Luft-Batterien, die mit 11.140 Wattstunden pro Kilogramm ohne Sauerstoffmasse und 5.200 Wattstunden pro Kilogramm mit Sauerstoffmasse fünf- bis zehnfach höher ist als bei einem Lithium-Ionen-Akku. Lithium-Luft-Batterien verfügen außerdem über das Potenzial für eine hohe Zyklenzahl und eine lange Lagerfähigkeit. Im Vergleich zu anderen Akkus sind sie zudem relativ umweltfreundlich.

Lithium-Luft-Akkus sind sicherer als Lithium-Ionen-Batterien, sie neigen weniger zur Dendritenbildung.  Dentriten sind verästelten kristallinen Ablagerungen, die beim wiederholten Ladevorgang an den Anoden heranwachsen können. Diese Ablagerungen können zu Bränden und Explosionen der Kraftpakete führen.

Ein Nachteil 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 Lithiumverbindungen. Nachteilig ist außerdem, dass bei Lithium-Luft-Batterien Elektrolyten durch Verdampfung verlorengehen, da im Elektrolyten die Sauerstofflöslichkeit niedrig und die Wasserlöslichkeit hoch ist.

Lithium-Luft-Akkus der Japaner

Der entwickelte Lithium-Luft-Akku besteht aus zehn gestapelten Zellen, besitzt eine Energiedichte von 500 Wattstunden (Wh/kg) pro Kilogramm und hat eine Größe von 4 mal 5 Zentimetern. Aktuelle Lithium-Ionen-Akkus haben zumeist eine Energiedichte von rund 200 Wh/kg.

"Wir haben mit der Lithium-Luft-Batterie eine Energiedichte von Weltklasse erreicht", sagte Shoichi Matsuda, leitender Forscher am National Institute for Materials Science, "Das ist ein großer Schritt auf dem Weg zur praktischen Anwendung."

Der Batterieprototyp erreichte nun seine angepeilte Lebensdauer, die allerdings aus lediglich zehn Lade- und Entladezyklen bestand. Jeder dieser Vorgänge dauerte rund 10 Stunden, zudem sind die verwendeten Materialien noch recht teuer. Zudem ist der Energieaufwand beim Laden noch erheblich höher als bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus. Experten schätzen, dass die Marktreife frühestens in den 2030ern erreicht wird.

Was bedeutet das?

Mit der neuen Batterietechnik wären ähnliche Reichweiten wie bei Verbrennern möglich – und somit vielen E-Mobilitäts-Kritikern der Wind aus den Segeln genommen.

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