Ein chinesisches Forschungsteam hat einen bedeutenden Fortschritt in der Entwicklung von Lithium-Luft-Batterien erzielt. Dank eines neuartigen Katalysators erreichen die Batterien eine beeindruckende Laufzeit von 960 Stunden und eine Effizienz von 95,8 %. Diese Innovation könnte die Zukunft von leistungsstarken Energiespeichern erheblich beeinflussen.
Herausforderungen von Lithium-Luft-Batterien
Lithium-Luft-Batterien (Li-O₂) bieten ein enormes Energiespeicherpotenzial und könnten herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien übertreffen. Doch bisher verhinderten begrenzte Zyklenfestigkeit, hohe Überpotenziale und Nebenreaktionen den praktischen Einsatz.
Bei der Entladung wandern Lithium-Ionen von der Anode zur porösen Kathode, wo sie mit Sauerstoff reagieren und Lithiumperoxid (Li₂O₂) bilden. Beim Laden kehrt sich der Prozess um: Das Lithium kehrt zur Anode zurück, und der Sauerstoff wird freigesetzt.
Allerdings führten bisher schlechte elektrische Leitfähigkeit und eine langsamen Reaktionskinetik zu Effizienzverlusten. Zudem verstopften die entstehenden Reaktionsprodukte oft die Kathodenporen, während hohe Spannungen die Elektrolyten abbauten. Dadurch waren Lithium-Luft-Batterien bislang nur für wenige Ladezyklen nutzbar.
Neue Katalysator-Technologie verlängert Lebensdauer
Das Forschungsteam am Dalian Institute of Chemical Physics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat eine Lösung für diese Probleme gefunden. Sie setzten das neuartige Salz 1,3-Dimethylimidazoliumiodid (DMII) als Redox-Mediator und Katalysator ein.
Wie verbessert DMII die Batterie?
- Iodid-Ionen (I⁻) übernehmen die Rolle eines Redox-Vermittlers.
→ Durch den Wechsel zu I₃⁻ und zurück verbessern sie den Elektronentransport und verringern die Überpotenziale. - DMI⁺-Ionen erhöhen die Effizienz der Reaktion.
→ Ihre spezielle Ringstruktur ermöglicht die gezielte Erfassung und Übertragung von Lithium-Ionen an den Sauerstoff der Kathode. - DMI⁺ bildet eine stabile Schutzschicht auf der Anode.
→ Dadurch wird der direkte Kontakt zwischen Elektrolyt und Lithium verhindert, was die chemische Stabilität und Lebensdauer erheblich steigert.
Die Ergebnisse:
✅ Laufzeit von 960 Stunden – ein Rekord für Lithium-Luft-Batterien
✅ Hohe Umwandlungseffizienz von 95,8 %
✅ Geringere Nebenreaktionen und verbesserte Stabilität
Bedeutung für die Zukunft der Energiespeicherung
Diese Forschung könnte den Weg für langlebige, hocheffiziente Stromspeicher ebnen, die besonders für Elektrofahrzeuge und stationäre Energiespeicher interessant sind.
Lithium-Luft-Batterien haben das Potenzial, deutlich höhere Energiedichten als heutige Lithium-Ionen-Technologien zu erreichen. Sollte die neue DMII-Technologie skaliert und kommerzialisiert werden, könnten sich völlig neue Möglichkeiten für leistungsfähigere und nachhaltigere Akkus eröffnen.
Die vollständige Studie wurde vom Dalian Institute of Chemical Physics der CAS veröffentlicht und könnte eine Schlüsselrolle in der künftigen Batterieentwicklung spielen.
Quelle: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202421107