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Beim Laden von Lithium-Luft-Akkus entsteht hochreaktiver Singulett-Sauerstoff

04.05.2016

Lithium-Luft-Akkus gelten als Zukunftstechnologie: Theoretisch können sie nicht nur wesentlich leistungsfähiger sein als die derzeit gängigen Lithium-Ionen-Akkus, sondern auch leichter. Noch sind die neuen Energiespeicher allerdings nicht reif für die Praxis – schon nach wenigen Ladezyklen machen die Akkus schlapp. Woran das liegt, haben jetzt Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) und des Forschungszentrums Jülich untersucht und einen potenziellen Übeltäter entdeckt: Hochreaktiven Singulett-Sauerstoff, der beim Laden des Akkus frei wird.

Eine Schlankheitskur wäre dringend nötig: Mobiltelefone beulen nach wie vor die Jackentaschen aus, und der Transport von portablen Computern führt zu Verspannungen der Schultermuskulatur. Schuld daran sind vor allem die Energiespeicher: Die heute gängigen Lithium-Ionen-Akkus enthalten schwere Elektroden aus Übergangsmetalloxiden.


Erstautor Johannes Wandt mit dem von ihm gebauten Messröhrchen für die Elektronenspinresonanz-Versuche

Bild: Andreas Battenberg / TUM

Leichtgewichtige Alternativen sind daher gefragt. „Einer der vielversprechendsten Ansätze ist der Lithium-Luft-Akku, bei dem die Lithiumkobaltoxid-Kathode durch poröse Kohlenstoffpartikel ersetzt wird“, erklärt Johannes Wandt, Doktorand im Team von Prof. Hubert Gasteiger am Lehrstuhl für Technische Elektrochemie der TUM.

„Die theoretische Energiedichte dieser neuen Akkus ist deutlich höher als die traditioneller Lithium-Ionen-Akkumulatoren.“ Die Technik sei bisher allerdings nicht praxistauglich, weil die Lithium-Luft-Akkus nur eine sehr kurze Lebenszeit haben: Schon nach wenigen Ladezyklen ist die Kohlenstoff Elektrode korrodiert und die Elektrolyt-Flüssigkeit zersetzt sich. „Das Problem ist, dass bisher niemand genau wusste, woran das liegt“, so Wandt.

Das Geheimnis des kurzen Akku-Lebens

Zusammen mit seinen Teamkollegen ist es ihm jetzt gelungen, das Rätsel zu lösen. In einem Experiment, das die Münchner Wissenschaftler zusammen mit Experten vom Forschungszentrum Jülich durchgeführt haben, wurde ein potenzieller Übeltäter, der Elektroden und Elektrolyt-Flüssigkeit angreift, gestellt: Beim Aufladen des Akkus entsteht Singulett-Sauerstoff. Dieser ist extrem reaktionsfreudig. Innerhalb von Sekundenbruchteilen korrodiert er umgebende Materialien.

Der Verdacht, dass Singulett-Sauerstoff den Akku schädigt, ist nicht ganz neu. Doch erst jetzt konnten die Forscher den hochreaktiven Stoff nachweisen. Warum es so lange gedauert hat? „Man hat einfach nicht danach gesucht“, vermutet TUM-Forscher Johannes Wandt: Auf Grund eines Rechenfehlers sei die Forscher-Community fälschlicherweise davon ausgegangen, dass die Reaktion erst bei höheren Spannungen auftrete. Dazu komme ein ziemlich komplizierter Versuchsaufbau.

Zwei Jahre Tüftelarbeit

Um den Ladevorgang genauer untersuchen zu können, bauten die TUM-Forscher einen speziellen Lithium-Luft-Akku. Die Stromabnehmer sind dünn und in Form einer Helix angeordnet, ein Glasgehäuse sorgt für Transparenz. So ist sichergestellt, dass die für die Messung wichtigen Mikrowellenstrahlen und Magnetfelder nicht abgeschirmt werden.

„Außerdem haben wir der Elektrolytflüssigkeit Moleküle beigemengt, die den kurzlebigen Singulett-Sauerstoff einfangen und als stabiles Radikal an sich binden“, berichtet Wandt. „In einem speziellen Messgerät für Elektronen-Paramagnetische-Resonanz Spektroskopie, kurz EPR, in Jülich ist es auf diese Weise gelungen, die Bildung von Singulett-Sauerstoff während des Ladens nachzuweisen.“

Das Problem ist damit erkannt, wenn auch nicht gebannt. Als nächstes wollen die Forscher nun herausfinden, wie sich die Entstehung von Singulett-Sauerstoff beim Laden verhindern lässt. „Diese Grundlagenforschung könnte die Voraussetzung schaffen für die Entwicklung neuer, langlebigerer Lithium-Luft-Akkus“, hofft Wandt.

Die Arbeiten wurden unterstützt durch Mittel des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Projekts „Materialien und Komponenten für Batterien mit hoher Energiedichte“ (MEET-HiEnD) sowie des Bayerischen Ministeriums für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie im Rahmen des Projekts EEBatt. Das Projekt EEBatt ist Teil des Forschungsschwerpunkts TUM.Energy der Munich School of Engineering.

Publikation:

Singlet Oxygen Formation during the Charging Process of an Aprotic Lithium-Oxygen Battery; Johannes Wandt, Peter Jakes, Josef Granwehr, Hubert A. Gasteiger, Rüdiger-A. Eichel; Angewandte Chemie, Intl. Ed., 26.04.2016 – DOI: 10.1002/ange.201602142
Link: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.201602142/abstract

Kontakt:

Prof. Dr. Hubert Gasteiger
Lehrstuhl für Technische Elektrochemie
Technische Universität München
Lichtenbergstr. 4, 85748 Garching, Germany
Tel.: +49 89 289-13679 - E-Mail: hubert.gasteiger@tum.de
Web: http://www.tec.ch.tum.de

Johannes Wandt, Tel.: +49 89 289 13485
E-Mail: Johannes.wandt@tum.de

Dr. Ulrich Marsch | Technische Universität München

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