Eine Schlankheitskur wäre dringend nötig: Mobiltelefone beulen 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.
Leichtgewichtige Alternativen sind daher gefragt. «Einer der vielversprechendsten Ansätze ist der Lithium-Luft-Akku, bei dem man die Lithiumkobaltoxid-Kathode durch poröse Kohlenstoffpartikel ersetzt», erklärt Johannes Wandt, Doktorand im Team von Prof. Hubert Gasteiger am Lehrstuhl für Technische Elektrochemie der Technischen Universität München TUM.
Die theoretische Energiedichte dieser neuen Akkus ist deutlich höher als die traditioneller Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Die Technik ist 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. «Bisher wusste niemand genau, woran das liegt», so Wandt.
Das mysteriöse, kurze Akku-Leben
Zusammen mit seinen Teamkollegen ist es Wandt 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 suchte bislang einfach nicht danach», vermutet 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 in Jülich ist es auf diese Weise gelungen, die Bildung von Singulett-Sauerstoff während des Ladens nachzuweisen.»
Langlebige Lithium-Luft-Akkus
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.
Infoservice
Technische Universität München
Arcisstrasse 21, DE-80333 München
Tel. 0049 89 28 901
www.tum.de
