Neuartiger Lithiumionen-Akku ohne organische Lösungsmittel

Apparatur mit einer Flüssigkeit in einem Kolben und angeschlossenen Stromkontakten.
Prototyp des neuen Akkus

Millionen von Lithiumionen-Akkus werden jedes Jahr für Smartphones, Laptops und Elektromobile produziert. Um diese Stromspeicher günstiger produzieren und leichter recyceln zu können, wären flüssige Elektrolyte auf Wasserbasis ideal. Leider entsteht mit wässrigen Lösungen als Transportmedium für die Lithiumionen bereits bei geringen Spannungen brennbares Wasserstoffgas. Doch mit einer hoch konzentrierten Salzlösung gelang es nun Forschern aus den USA, dieses Problem zu beheben. Wie sie in der Fachzeitschrift „Science“ berichten, funktionierte ihr Prototyp auch bei deutlich höheren Spannungen als bisher ohne störende Wasserstoffproduktion.

„Zum ersten Mal konnten wir zeigen, dass auch Batterien mit wässrigen Elektrolyten mit herkömmlichen Lithiumionen-Akkus konkurrieren können“, sagt Chunsheng Wang von der University of Maryland in College Park. Damit gelang ihm zusammen mit Kollegen vom US-Army Research Laboratory in Adelphi ein wichtiger Schritt, um die heute oft genutzten organischen Flüssigkeiten aus den Lithiumionen-Akkus der Zukunft zu verbannen. Diese bisher favorisierten wasserfreien Elektrolyte auf Ester-Basis ermöglichen zwar eine hohe Energiedichte und eine lange Lebensdauer. Doch sind sie hochgiftig und erfordern teure Produktionsprozesse in Reinräumen mit extrem geringer Luftfeuchtigkeit.

Wang und Kollegen lösten für ihren Prototyp ein spezielles Lithium-Salz (Lithiumbistrifluoromethansulfonylimid, kurz LiTFSI) in Wasser auf. Dieses Salz zählt zu den sogenannten „ionischen Flüssigkeiten“, die bei Raumtemperatur selbst schon flüssig und sehr gut in Wasser löslich sind. Mit dieser hoch konzentrierten Salzlösung füllten die Forscher den Raum zwischen den beiden Akku-Elektroden auf und testeten das Ladeverhalten des Prototyps. Über etwa tausend Ladezyklen lieferte der Akku eine Spannung von 2,3 Volt ohne Bildung von störendem Wasserstoff. Zum Vergleich: Das Maximum früherer Lithiumionen-Systeme mit wässrigem Elektrolyten lag deutlich darunter bei etwa 1,23 Volt.

Lithiumionen-Akkus im Vergleich

Nach diesen Testläufen nahmen die Akkuforscher ihren Prototyp wieder auseinander und untersuchten die Elektroden. Dabei entdeckten sie, dass sich auf der negativen Elektrode eine dünne Schicht aus Lithiumfluorid gebildet hatte. Verantwortlich dafür war die extrem hohe Salzkonzentration im Elektrolyten. Das Lithiumfluorid wirkte als sogenannte Passivierungsschicht, dank derer die Produktion von Wasserstoff unterdrückt wurde. Damit sollten nach Aussage der Forscher sogar Akku-Spannungen von bis zu drei Volt möglich werden.

„Mit diesen höheren Spannungen könnte nun eine neue Generation sicherer und günstigerer Lithiumionen-Akkus entwickelt werden“, sagt Jeff Dahn, Akkuforscher von der kanadischen Dalhousie University in Halifax, der nicht an diesen Versuchen beteiligt war. Kostensenkend könnten sich die einfacheren Produktionsbedindungen auswirken, die für Akkus mit wässrigen Elektrolyten ausreichend wären. Da diese Akkus ohne giftige Lösungsmittel auskommen, ergäben sich auch bessere Recyclingmöglichkeiten.

Für stationäre Stromspeicher, die überschüssigen Strom aus Wind- und Solarparks kurzfristig aufnehmen, könnten diese neuen Lithiumionen-Akkus schon in weniger als fünf Jahren einsatzreif sein. Etwa doppelt so lang soll es nach Aussage der Entwickler für Akkus mit möglichst hoher Energiedichte dauern, die in Smartsphones oder Elektroautos eingesetzt werden. „Aber unsere Ergebnisse sind auch von fundamentaler Bedeutung“, sagt Kang Xu vom US-Army Research Laboratory, „und könnten für zukünftige Metall-Luft-Akkus oder auch für Brennstoffzellen und neue Superkondensatoren wichtig werden“.