Nanoteilchen machen Lithium-Luft-Akku stabiler

Akkuforscher arbeiten noch an Elektroautos mit Reichweiten von über tausend Kilometern. Doch theoretisch könnte dieses Ziel mit Lithium-Luft-Akkus erreicht werden, die bisher aber noch nicht stabil genug für den Praxiseinsatz sind. Eine Forschergruppe fand nun eine mögliche Lösung dieses Problems. In der Fachzeitschrift „Nature“ berichten sie über einen neuen Prototyp, der während des Entladens bevorzugt die stabile Verbindung Lithiumsuperoxid bildete.

Eine Grafik mit links oben dargestelltem Lithiumsuperoxid Kristallen als Haken-ähnliche Gitterstruktur aufgesetzt auf eine Kugelanordnung von Iridium-Nanoteilchen. Aus diesen folgen (rechts) kristallartige Lithiumsuperoxid-Struktruen auf einer Schicht aus Ir-rGO.
Verbesserte Kristallbildung

„Diese Entdeckung weist einen neuen Weg für die Entwicklung dieser leistungsstarken Akkuvariante auf“, sagt Larry Curtiss vom Argonne National Laboratory in den USA. Gemeinsam mit Kollegen der Hanyang University in Seoul fertigten sie eine Akkukathode auf der Basis dünner, oxidierter Graphenschichten an. In dieses leitfähige Kohlenstoffmaterial lagerten sie winzige Nanoteilchen aus dem harten Edelmetall Iridium ein. An den Nanopartikeln, jedes davon kleiner als zwei Nanometer, bildeten sich beim Entladen des Akkus bevorzugt stabile Kristalle aus Lithiumsuperoxid (LiO2). In bisher entwickelten Lithium-Luft-Akkus dominierten dagegen Kristalle aus Lithiumperoxid (Li2O2).

So ähnlich beide Kristalltypen auf den ersten Blick sein mögen, unterscheiden sie sich wesentlich in ihrer Stabilität. Prototypen, in denen Lithium mit Sauerstoff zu Lithiumperoxid reagierte, blieben nur über wenige Ladezyklen funktionsfähig. Der neue Akku mit Lithiumsuperoxid dagegen hielt bereits im ersten Anlauf über vierzig Ladezyklen stand. Dabei erreichten Curtiss und Kollegen relativ hohe Stromdichten von bis zu 1000 Milliampere pro Gramm.

Diese Studie zeigt, dass die in jüngster Zeit entwickelten Methoden zur Einlagerung von Nanoteilchen in der Akkuforschung eingesetzt werden können. Nach diesem ersten Prototyp halten es die Wissenschaftler für wahrscheinlich, dass die Anzahl der Ladezyklen für Lithium-Luft-Akkus ohne allzu große Kapazitätsverluste deutlich erhöht werden könnte. Ob statt des teuren Edelmetalls Iridiums auch andere günstigere Metalle wie etwa Silber das gewünschte Wachstum von Lithiumsuperoxid-Kristallen unterstützen können, muss erst in weiteren Experimenten überprüft werden.