Mehr Ladezyklen für Lithium-Luft-Akkus

Fife (Großbritannien) – Leichter, billiger und mehr Leistung: Diese Ziele müssen Lithiumakkus für eine breite Anwendung in Elektroautos noch erreichen. Sogenannte Lithium-Luft-Zellen gehören zu den viel versprechenden Kandidaten, da sie etwa dreimal mehr Strom speichern können als heutige Lithium-Ionen-Akkus. Doch leiden sie bisher noch unter starkem Kapazitätsverlust nach wenigen Ladezyklen. Wissenschaftler konnten dieses Problem nun ansatzweie beheben. Mit neuen Elektrolyten und einer Goldkathode erreichten sie auch nach 100 Ladezyklen 95 Prozent der Kapazität, berichten sie in einer Vorabveröffentlichung der Zeitschrift „Science“. Solche Lithium-Luft-Akkus könnten die Reichweite von Elektroautos von heute 160 Kilometern auf über 550 Kilometern vergrößern.

Schema des Akkus. Die Lithiumanode ist ein massives Stück Metall, das über eine Kammer mit Elektrolyten mit der Kathode verbunden ist. Die Kathode ist porös, die Lithiumionen, der Katalysator und der Kohlenstoff sind als eng gepackte Kugeln zu sehen. Anode und Kathode sind mit einem Leiter verbunden, durch den Strom fließt.
Elektrochemische Reaktionen in einem Lithium-Luft-Akku

„Wir konnten zeigen, dass die reversible Bildung und Zersetzung von Lithiumoxid tatsächlich möglich ist“, sagt Peter Bruce von der University of St. Andrews im britischen Fife. Diese umkehrbare Reaktion von metallischem Lithium und dem Sauerstoff der Luft ist die Basis für die hoch effiziente Stromspeicherung. Bruce und Kollegen wählten für ihren Prototyp nun eine nanoporöse Kathode aus Gold und für den Ionentransport im Akku den flüssigen Elektrolyten Dimethylsulfoxid (DMSO). Mit dieser neuen Kombination alterte der Akku selbst nach 100 Ladezyklen nur wenig und verlor gerade mal fünf Prozent seiner Kapazität. Bei allen vorherigen Versuche mit Lithium-Luft-Akkus lagen diese Verluste viel höher bei etwa 20 Prozent nach nur zehn Ladezyklen.

Einsatzreif ist der Lithium-Luft-Akku mit Energiedichten von rund 1000 Wattstunden pro Kilogramm allerdings noch nicht. Denn eine pure Kathode aus Gold wäre schlicht zu teuer und schwer. Doch mit einer hauchdünnen Goldbeschichtung, beispielsweise auf leichterem Graphit, könnten laut Bruce die gleichen guten Eigenschaften erreicht werden. Zudem gilt es, die Kapazität auch nach bis zu 1000 Ladezyklen auf einem sehr hohen Niveau zu halten, um zu häufige Akkuwechsel zu vermeiden.

Neben dem Lithium-Luft-System wird derzeit auch an anderen Kombinationen für zukünftige Akkus gearbeitet. Lithium-Eisenphosphat-Zellen konnten sich wegen der geringeren Materialkosten bereits in einigen Bereichen durchsetzen. Und auch die Reaktion von Lithium mit Schwefel unter Bildung von Lithiumsulfid wird derzeit in einigen Laboren untersucht und könnte Elektromobilen Reichweiten von etwa 400 Kilometern bescheren.