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Neues Design für Lithium

Jun 15, 2023

Neue Batterien könnten eines Tages Autos, Flugzeuge und Lastwagen antreiben

DOE/Argonne National Laboratory

Bild: Schematische Darstellung einer Lithium-Luft-Batteriezelle bestehend aus einer Lithium-Metallanode, einer luftbasierten Kathode und einem festen Keramik-Polymer-Elektrolyten (CPE). Beim Entladen und Laden wandern Lithiumionen (Li+) von der Anode zur Kathode und dann zurück.mehr sehen

Bildnachweis: (Bild von Argonne National Laboratory.)

Viele Besitzer von Elektroautos haben sich einen Akku gewünscht, der ihr Fahrzeug mit einer einzigen Ladung mehr als 1.000 Kilometer weit fahren kann. Forscher des Illinois Institute of Technology (IIT) und des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) haben eine Lithium-Luft-Batterie entwickelt, die diesen Traum Wirklichkeit werden lassen könnte. Das neue Batteriedesign des Teams könnte eines Tages auch inländische Flugzeuge und Langstrecken-Lkw antreiben.

Die wichtigste neue Komponente dieser Lithium-Luft-Batterie ist ein Festelektrolyt anstelle der üblichen flüssigen Variante. Bei Batterien mit Festelektrolyten besteht nicht das Sicherheitsproblem der in Lithium-Ionen- und anderen Batterietypen verwendeten flüssigen Elektrolyte, die überhitzen und Feuer fangen können.

„Die Lithium-Luft-Batterie hat die höchste prognostizierte Energiedichte aller Batterietechnologien, die für die nächste Generation von Batterien über die Lithium-Ionen-Batterie hinaus in Betracht gezogen werden.“ — Larry Curtiss, Argonne Distinguished Fellow

Noch wichtiger ist das des TeamsDie Batteriechemie mit dem Festelektrolyten kann die Energiedichte potenziell um das Vierfache gegenüber Lithium-Ionen-Batterien steigern, was sich in einer größeren Reichweite niederschlägt.

„Seit über einem Jahrzehnt arbeiten Wissenschaftler in Argonne und anderswo Überstunden, um eine Lithiumbatterie zu entwickeln, die den Sauerstoff in der Luft nutzt“, sagte Larry Curtiss, ein Argonne Distinguished Fellow. ​„Die Lithium-Luft-Batterie hat die höchste prognostizierte Energiedichte aller Batterietechnologien, die für die nächste Generation von Batterien über die Lithium-Ionen-Batterie hinaus in Betracht gezogen werden.“

Bei früheren Lithium-Luft-Designs bewegt sich das Lithium in einer Lithiummetallanode durch einen flüssigen Elektrolyten, um sich während der Entladung mit Sauerstoff zu verbinden, wodurch an der Kathode Lithiumperoxid (Li2O2) oder Superoxid (LiO2) entsteht. Beim Laden wird das Lithiumperoxid bzw. Superoxid dann wieder in seine Lithium- und Sauerstoffbestandteile zerlegt. Diese chemische Abfolge speichert Energie und gibt sie bei Bedarf wieder frei.

Der neue Festelektrolyt des Teams besteht aus einem keramischen Polymermaterial, das aus relativ kostengünstigen Elementen in Nanopartikelform besteht. Dieser neue Feststoff ermöglicht chemische Reaktionen, die bei der Entladung Lithiumoxid (Li2O) erzeugen.

„Die chemische Reaktion für Lithiumsuperoxid oder -peroxid umfasst nur ein oder zwei gespeicherte Elektronen pro Sauerstoffmolekül, während die für Lithiumoxid vier Elektronen umfasst“, sagte der Argonne-Chemiker Rachid Amine. Mehr gespeicherte Elektronen bedeuten eine höhere Energiedichte.

Das Lithium-Luft-Design des Teams ist die erste Lithium-Luft-Batterie, die eine Vier-Elektronen-Reaktion bei Raumtemperatur erreicht hat. Es arbeitet auch mit Sauerstoff, der durch Luft aus der Umgebung zugeführt wird. Durch die Möglichkeit, mit Luft zu arbeiten, sind keine Sauerstofftanks erforderlich, was bei früheren Konstruktionen ein Problem darstellte.

Das Team wandte viele verschiedene Techniken an, um festzustellen, dass tatsächlich eine Vier-Elektronen-Reaktion stattfand. Eine Schlüsseltechnik war die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) der Entladungsprodukte auf der Kathodenoberfläche, die am Center for Nanoscale Materials von Argonne, einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science, durchgeführt wurde. Die TEM-Bilder lieferten wertvolle Einblicke in den Vier-Elektronen-Entladungsmechanismus.

Frühere Lithium-Luft-Testzellen litten unter einer sehr kurzen Zyklenlebensdauer. Das Team stellte fest, dass dieser Mangel bei seinem neuen Batteriedesign nicht der Fall ist, indem es eine Testzelle für 1000 Zyklen baute und betrieb und so deren Stabilität bei wiederholtem Laden und Entladen demonstrierte.

„Mit der Weiterentwicklung gehen wir davon aus, dass auch unser neues Design für die Lithium-Luft-Batterie eine Rekordenergiedichte von 1200 Wattstunden pro Kilogramm erreichen wird“, sagte Curtiss. ​„Das ist fast viermal besser als bei Lithium-Ionen-Batterien.“

Diese Forschung wurde in einer aktuellen Ausgabe von Science veröffentlicht. Zu den Argonne-Autoren gehören Larry Curtiss, Rachid Amine, Lei Yu, Jianguo Wen, Tongchao Liu, Hsien-Hau Wang, Paul C. Redfern, Christopher Johnson und Khalil Amine. Zu den Autoren des IIT gehören Mohammad Asadi, Mohammadreza Esmaeilirad und Ahmad Mosen Harzandi. Zu den Autoren der University of Illinois Chicago gehören Reza Shahbazian-Yassar, Mahmoud Tamadoni Saray, Nannan Shan und Anh Ngo.

Die Forschung wurde vom DOE Vehicle Technologies Office und dem Office of Basic Energy Sciences über das Joint Center for Energy Storage Research finanziert.

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Wissenschaft

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