Dem Akku-Mörder auf der Spur

Forscher der Technischen Universität München und des Forschungszentrums Jülich sind auf dem Weg zur Marktreife von Lithium-Luft-Akkumulatoren einen Schritt weitergekommen. Obwohl dieser Akku-Typ bereits vor Jahrzehnten erfunden wurde, verhindert die schnelle Alterung bis heute den praktischen Einsatz. Lithium-Luft-Akkus können mit geschätzten 11 kWh/kg 10- bis 20-mal so viel Energie speichern wie gleich schwere heute verfügbare Lithium-Ionen-Akkus. Bei Letzteren tragen außer gelösten Lithium-Ionen Li⁺ nur die Elektrodenmaterialien zur Elektrochemie bei – zum Beispiel Lithium-Kobaltoxid. Bei Lithium-Luft-Akkus reagiert stattdessen Luftsauerstoff in den wenige nm großen Poren einer sogenannten mesoporösen Kohlenstoff-Elektrode mit Li⁺ zu Lithiumperoxid Li₂O₂. Die Gegenelektrode besteht aus elementarem Lithium. Als Elektrolyt dienen Ether wie Tetrahydrofuran, in denen sich Lithium-Ionen lösen können.

In Lithium-Luft-Akkus korrodiert derzeit die Kohlenstoffelektrode binnen weniger Ladezyklen, außerdem zersetzt sich die Elektrolytflüssigkeit rasch. Beide Alterungserscheinungen lassen sich durch Reaktionen mit elektronisch angeregten Sauerstoff-Molekülen ¹O₂ erklären, sogenanntem Singulett-Sauerstoff. Bis jetzt herrschte allerdings die Meinung vor, dieser könne bei den Ladespannungen für Lithium-Luft-Akkus gar nicht entstehen. Dieser Frage gingen die Forscher um Johannes Wandt aus München und Jülich nun auf den Grund. Sie konstruierten einen Lithium-Luft-Akku, den sie in der Messzelle eines ESR-Spektrografen (zur Elektronen-Spinresonanz) betreiben konnten. Damit kann man Moleküle mit ungepaarten Elektronen identifizieren.

Zwar hat der gesuchte Singulett-Sauerstoff gar keine ungepaarten Elektronen. Seine Moleküle sind aber so reaktiv, dass sie sich mit dem Spin-Trap-Reagenz umsetzen, welches die Forscher in der Elektrolyt-Flüssigkeit aufgelöst hatten. Bei der Reaktion entsteht eine stabile Verbindung mit ungepaarten Elektronen. Genau diese Verbindung konnten die Wissenschaftler beim Laden ihres Lithium-Luft-Akkus nachweisen. Demnach scheint es wichtig, Lithium-Luft-Akkus so aufzuladen, dass sich dabei kein Singulett-Sauerstoff bildet. Mit einer Methode, die das erreicht, könnten diese Akkus und ihre hohe Energiedichte endlich zur Marktreife kommen. (hps@ct.de)