Reichweiten wie VerbrennerLithium-Luft-Akku für E-Autos macht wichtigen Fortschritt
Japanische Wissenschaftler kommen dem praktischen Einsatz von Lithium-Luft-Akkus einen großen Schritt näher. Ihre Batterie erreicht bei einer hohen Energiedichte stabile 150 Ladezyklen. E-Autos könnten mit der Technologie künftig ähnliche Reichweiten wie Fahrzeuge mit Verbrennermotoren erzielen.
Lithium-Luft-Batterien, auch Lithium-Sauerstoff-Batterien (LOBs) genannt, gelten als mögliche Hochenergie-Stromspeicher der nächsten Generation. Theoretisch können sie bei gleichem Gewicht bis zu zehnmal mehr Energie speichern als herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus, doch bisher sind sie noch zu instabil. Wissenschaftler des japanischen Nationalen Instituts für Materialforschung (NIMS) sind der Lösung des Problems einen wichtigen Schritt näher gekommen, indem sie in einer Studie eine ganz spezielle Membran entwickelt haben.
Bei Lithium-Luft-Akkus besteht die Anode aus metallischem Lithium. Die Kathode ist keine feste Platte wie in herkömmlichen Batterien, sondern eine hochporöse, leitfähige Kohlenstoffstruktur, an der Sauerstoff aus der Luft reduziert wird. Beim Entladen des Akkus bewegen sich positiv geladene Lithium-Ionen durch Elektrolytflüssigkeit zur anderen Elektrode, wo sie sich mit Sauerstoff und Elektronen aus dem äußeren Stromkreis (E-Motor) zu Lithiumoxid verbinden. Dabei fließt ein elektrischer Strom, der Energie für elektrische Geräte liefert. Beim Laden der Batterie trennen sich Lithium und Sauerstoff wieder, Ionen und Elektronen wandern in die umgekehrte Richtung.
Bisher bilden sich beim Laden und Entladen allerdings Ablagerungen, die die Batterie sehr schnell altern lassen. Außerdem ist es noch nicht gelungen, Zellen in größeren, praktisch nutzbaren Formaten herzustellen. Die japanischen Forschenden verfolgen deshalb einen Ansatz, der die Batterie stabiler und gleichzeitig besser skalierbar (übertragbar auf größere Formate) machen soll.
Die Membran macht den Unterschied
Zentral ist eine neue Kathode aus besonders fein strukturierten Kohlenstoffmembranen, durch die Sauerstoff gut eindringen kann, ohne dass die Elektrode schnell verstopft. Zudem nutzen die Forscher zwei unterschiedliche Elektrolyte, die jeweils optimal zu den Bedingungen an der Lithiumseite und an der Sauerstoffseite passen. Eine trennende Membran sorgt dafür, dass beide Flüssigkeiten getrennt bleiben, aber Lithiumionen trotzdem wandern können.
Auf diese Weise gelang es den Wissenschaftlern, dass die Testzellen mehr als 150 Ladezyklen stabil überstanden – deutlich mehr als viele andere Lithium-Luft-Zellen bisher. Entscheidend ist außerdem, dass der Ansatz nicht nur in kleinen Laborzellen funktionierte, sondern auch in einer größeren, mehrschichtigen Batterie mit rund einer Wattstunde Energie pro Kilogramm (Wh/kg). Zum Vergleich: Lithium-Ionen-Akkus erreichen aktuell etwa 300 bis 350 Wh/kg, wobei in der Praxis von E-Autos geringere Werte erzielt werden. EnBW nennt Energiedichten von 240 bis 270 Wh/kg.
Noch ein weiter Weg bis zur Serienreife
Die japanischen Forscher nennen ihre Studie "einen Durchbruch in der Entwicklung skalierbarer LOB-Elektroden mit hoher Energiedichte", doch bis zu einer praktischen Umsetzung ist es noch ein längerer Weg. Unter anderem sind auch 150 stabile Ladezyklen bei Weitem nicht genug.
Moderne Lithium-Ionen-Akkus vertragen laut EnBW grundsätzlich bis zu 1000 komplette Ladezyklen (von null auf 100 Prozent), bevor die Kapazität unter 80 Prozent sinkt. "Je nach Modell macht das – nach Hersteller-Angaben – bereits zwischen 200.000 (Mazda MX-30) und 770.000 Kilometer (Mercedes EQS 450+), die Sie fahren können, bevor der Akku zu schwächeln beginnt."
Die Batteriezelle der Studie ist trotz der hohen Energiedichte im Vergleich zu realen Batteriemodulen mit mehreren hundert Wh pro Zelle noch winzig. Ein Laborbetrieb ist auch nicht auf den Alltagsbetrieb übertragbar. Das Experiment fand unter kontrollierten Bedingungen, mit gereinigtem Sauerstoff, bei genau definierten Temperaturen sowie ohne Kohlendioxid oder Wasserdampf in der Luft statt.
Viele Probleme – Wärmemanagement, mechanische Stabilität, Langzeitverhalten – treten erst bei größeren Dimensionen auf. Das Konzept mit einer trennenden Membran ist technisch komplex und teuer und erhöht das Risiko von Defekten. Weitere wichtige Fragen sind offen, unter anderem, wie schnell solche Akkus geladen werden können.