Lithium-Batterien mit Luft/Sauerstoffelektrode

Obwohl Lithium-Ionen-Batterien in den vergangenen Jahren große Fortschritte gemacht haben und in den nächsten Jahren durch Einführung neuer Materialkombinationen und Optimierung des Zelldesigns mit weiteren Steigerungen der Energiedichte gerechnet werden kann, ist allgemein akzeptiert, dass ein weiterer Durchbruch alternative Konzepte erfordert. Lithium-Luft-Batterien sind prinzipiell vielversprechende Kandidaten, da die theoretische spezifische Energie ein Vielfaches der heute verfügbaren Lithium-Ionen-Batterien ist.

Trotz intensiver Forschungsanstrengungen in den vergangenen Jahren haben sich die Erwartungen auf eine kurzfristige Umsetzung von Lithium-Luft-Batterien in die Praxis bisher nicht erfüllt. Dies hängt direkt mit den verwendeten Materialien zusammen. Da die Lithiummetall-Anode in wässrigem Elektrolyt nicht stabil ist, muss ein aprotischer, organischer Elektrolyt verwendet werden oder die Lithiummetall-Elektrode durch eine Hydrolyse unempfindliche, Lithium-Ionen leitende Festkörpermembran vom Katholyten getrennt werden. Trotz einiger vielversprechender Ansätze in den Vorläuferprojekten konnten eine Reihe von Problemen noch nicht zufriedenstellend gelöst werden.

Weiterer Forschungs- und Entwicklungsbedarf besteht insbesondere für:

• Weiterentwicklung oxidationsstabiler Elektrolyte, die nicht mit den intermediär gebildetem Superoxid reagieren,

• grundlegenderes Verständnis der Sauerstoffreduktion und -entwicklung in organischem Elektrolyten und geeignete Lösungsansätze zur Reduktion der sehr hohen Überspannung der Sauerstoffentwicklungsreaktion,

• Entwicklung einer optimierten Elektrodenstruktur, um Verstopfung der Poren und Reduktion der aktiven Oberfläche durch feste Reaktionsprodukte zu minimieren,

• Schutz der Lithium-Anode vor ‘Crossover’ von Sauerstoff von der Luftelektrode an die Metallelektrode und Reduktion der dort stattfindenden Nebenreaktionen des Elektrolyten und Korrosion der Lithiumelektrode.

Obwohl aufgrund der oben geschilderten Herausforderungen die avisierten Energiedichten in realen Zellen bislang nicht erreicht werden konnten, bieten Lithium-Luft-Batterien ein sehr hohes Potenzial, das aber nur langfristig zu realisieren ist. Ziel des hier beschriebenen Verbundvorhabens ist es, diese Probleme anzugehen und die zur Lösung notwendigen Grundlagen zu erarbeiten. Darüber hinaus sollen aber auch Strategien für die Realisierung solcher Lithium-Luft-Batterien entwickelt werden.

Der Beitrag des ZSW im Rahmen des Gesamtprojekts umfasst insbesondere die folgenden Punkte:

• Entwicklung neuer Formulierungen aprotischer Elektrolyte mit hoher Langzeitstabilität,

• Untersuchungen zu Wechselwirkungen der Elektrolyten mit Anode und Kathode,

• Erarbeitung eines besseren Verständnisses der ablaufenden Reaktionen an der Sauerstoffelektrode und Aufklärung des Einflusses von Träger- und Katalysatormaterialien,

• Entwicklung einer geeigneten Elektrodenstruktur für die Luftelektrode.

Aufgrund der breiten, sich ergänzenden Expertise der Partner sehen wir sehr große Chancen, völlig neue Ansätze für eine Realisierung von Lithium-Luft-Zellen zu ermitteln, die dann auch durch Schutzrechte geschützt werden können.

Die Identifizierung neuer oxidationsstabilerer Elektrolyte oder optimierter Elektrolyte für die Lithiummetall-Elektrode haben direkte Auswirkungen auf die Weiterentwicklung von Lithium-Ionen-Zellen der nächsten Generation. Auch hier geht man zu immer höheren Abschaltspannungen, was die Freisetzung von Sauerstoff aus den delithiierten Kathodenmaterialien begünstigt. Erkenntnisse zur Wirkungsweise oxidischer Katalysatoren könnten ein Modellsystem für die Wirkungsweise neuer hochkapazitiver Kathodenmaterialien, wie HENMC sein. Bei diesen Materialien findet im ersten Ladezyklus eine bis heute nicht vollständig verstandene Umwandlung mit Sauerstoffentwicklung statt. Die gemessenen Gasmengen sind jedoch beträchtlich kleiner als die berechneten, was evtl. auf die Bildung sauerstoffreicher Zwischenprodukte wie Li2O2 hindeutet.

Aussagen zur Stabilität von Kohlenstoffen können ebenfalls direkt für Lithium-Ionen-Zellen genutzt werden, da höhere Ladeschlussspannungen Probleme mit der Oxidationsstabilität der als Leitzusätze verwendeten Rusße mit sich bringen können.