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Die Lithium-Luft-Akku-Technologie befindet sich noch in der Entwicklung, ist aber ein vielversprechendes Zukunftsprojekt. Universitäten, Forschungseinrichtungen wie die Leibniz- oder Helmholtz-Institute, aber auch Entwicklungsabteilungen in IT- und Automobilunternehmen forschen bereits an Wegen zur praktischen Umsetzung. Bringt es der Lithium-Luft-Akku zur Marktreife, erhöht sich die Leistungsfähigkeit von Batterien und Akkus im Vergleich zum aktuellen Standard um ein Vielfaches. Das würde nicht nur die Elektromobilität entscheidend voranbringen, sondern bietet auch Vorteile für die Notstromversorgung.
In diesem Artikel informieren wir Sie über die Funktionsweise der Lithium-Luft-Batterie und den aktuellen Stand der Forschung zur Technologie.
Der Aufbau eines Lithium-Luft-Akkus
Wie alle galvanischen Elemente benötigen auch die Zellen in einem Lithium-Luft-Akkumulator jeweils zwei Elektroden und Elektrolyt, das die Ionen (elektrisch geladene Atome) leitet und somit die Energie transportiert. Darin stimmt der Lithium-Luft-Akku in seinem Aufbau mit einem Lithium-Ionen-Akku überein. Dennoch gibt es im Aufbau einige entscheidende Unterschiede zur konventionellen Li-Ionen-Technologie:
- Lithium-Ionen-Akkus die Anode auf Graphit, die Kathode auf verschiedenen Li-Metalloxiden basiert, besteht bei einer Lithium-Luft-Batterie nur die negative Elektrode (Anode) aus Lithium. Das Metall zeichnet sich durch ein besonders hohes elektrochemisches Potenzial aus. Das ist entscheidend dafür, dass die Lithium-Luft-Batterie eine sehr hohe Energiedichte erreicht.
- Die positive Elektrode (Kathode) ist aus Kohlenstoff in einer nanoförmigen Gitterstruktur aufgebaut, um eine möglichst große Reaktionsfläche zu schaffen. Der für die Oxidation notwendige Sauerstoff wird der Umgebungsluft entnommen.
Die Forschung beschäftigt sich derzeit zusätzlich mit der Frage, welche Elektrolyten sich am besten für den Lithium-Luft-Akku eignen. Neben gelösten Stoffen kommen auch gaskeramische oder polymerbasierte Festkörper infrage (Festkörperakkumulatoren). In verschiedenen Experimenten wird aktuell getestet, womit eine optimale Lebensdauer und kurze Ladezeiten realisiert werden können.
Die Funktionsweise eines Lithium-Luft-Akkus mit Reaktionsgleichung
An der schematischen Darstellung des Lithium-Luft-Akkus wird gleichzeitig die Funktionsweise deutlich:
- Bei der Entladung leitet der Elektrolyt Lithium-Ionen von der Lithium-Anode zur Kohlenstoff-Kathode, wo sie mit dem Sauerstoff aus der Umgebungsluft reagieren.
- Bei der Ladung werden die Lithium-Ionen von der Kathode zur Anode geleitet, wobei der Sauerstoff wieder abgespaltet und nach außen abgegeben wird.
Bei Verwendung eines organischen, nicht-wässrigen Elektrolyten laufen die beiden Reaktionen im Lithium-Luft-Akku nach dieser Reaktionsgleichung ab:
2 Li + O2 ↔ Li2O2
Beim Einsatz von flüssigen, wässrigen Elektrolyten verändert sich die Reaktionsgleichung folgendermaßen:
4 Li + O2 + 2H2O ↔ 4LiOH
Was sind die Vor- und Nachteile einer Lithium-Luft-Batterie?
Der mit Abstand größte Vorteil ist die hohe Energiedichte einer Lithium-Luft-Batterie. Theoretisch sind bis zu 11 kWh/kg (Kilowattstunden pro Kilogramm) möglich. Bei gleichem Gewicht böte ein Lithium-Luft-Akku damit 20-mal mehr Energie als ein konventioneller Lithium-Ionen-Akku. Bisher konnten zwar nur Akkus mit 2 kWh/kg realisiert werden, doch die Kapazität wird im Rahmen verschiedener Forschungsprojekte beständig erhöht.
Ein bisher noch nicht gänzlich gelöstes Problem ist allerdings die Lebensdauer von Lithium-Luft-Akkus. Frühere Versuche haben gezeigt, dass bei einem Lithium-Luft-Akku die Leistung bereits nach nur wenigen Ladezyklen deutlich nachlässt. Dafür gibt es mehrere Gründe:
- Bei einer hohen Entladungsrate steht zu wenig Sauerstoff zur Verfügung, der an die Lithium-Ionen gebunden werden kann. In diesem Fall entsteht irreversibles Lithiumoxid (Li2O), das sich an der Kohlenstoff-Kathode festsetzt, die Nanoporen verstopft und dadurch zukünftige Reaktionen verhindert.
- Die Lithium-Anode ist feuchtigkeitsempfindlich. Aufgrund von Wasserdampf aus der Umgebungsluft oder Elektrolyten mit hoher Wasserlöslichkeit kommt es an der Lithium Anode zur stark beschleunigten Korrosion.
- Im Jahr 2016 wurde erstmals nachgewiesen, dass bei einer unerwünschten Nebenreaktion während der Ladung der hochreaktive Singulett-Sauerstoff gebildet wird. Dadurch wird die Korrosion der Kathode stark beschleunigt.
An der Beseitigung dieser Ursachen arbeiten derzeit verschiedene Forschungsgruppen. Ein Ansatz ist es, den Lithium-Luft-Akkumulator für eine kontrollierte Sauerstoffzufuhr als geschlossenes System zu konstruieren. Die enthaltene Sauerstoffmasse erhöht allerdings das Gewicht des Akkus, sodass die theoretisch mögliche Energiedichte auf 5 kWh/kg sinkt. Außerdem gibt es Versuche, die Bildung von Singulett-Sauerstoff durch veränderte Elektrolytformulierungen oder Spezialbeschichtungen der Elektroden zu verhindern.
Dr. Ruben Heimböckel – Entwicklungsingenieur Jungheinrich AG
Lithium-Luft-Akku und konventioneller Lithium-Ionen-Akku im Direktvergleich
Auch wenn ein detaillierter Vergleich aufgrund der laufenden Forschung nicht möglich ist, lässt sich eine Gegenüberstellung von Lithium-Ionen- und Lithium-Luft-Batterie zumindest anhand der wichtigsten Leistungsparameter bereits jetzt vornehmen:
| Lithium-Luft-Akku | Lithium-Ionen-Akku | |
|---|---|---|
| Vorteile | – hohe Energiedichte – hohe Leistungsfähigkeit | – schnelle Ladezeit – kein Memory-Effekt |
| Nachteile | – geringe Lebensdauer* – nur wenige Ladezyklen möglich* – verhältnismäßig lange Ladezeiten* (*nach aktuellem Entwicklungsstand) | – hohe Ansprüche an Lagerung und Transport aufgrund von Brand- und Explosionsgefahr – aufwendiges und nicht vollständiges Recycling möglich |
Mögliche Einsatzbereiche von Lithium-Luft-Akkus
Aufgrund seiner hohen Energiedichte ist der Lithium-Luft-Akku vor allem für die Automobilindustrie und Logistik interessant: Er hat das Potenzial, die Reichweite und Leistungsfähigkeit von Elektrofahrzeugen deutlich zu erhöhen, sodass mit nur eine Akkuladung 640 bis 800 Kilometern zurückgelegt werden können. Neben Elektroautos betrifft das auch Flurförderzeuge wie Elektro-Hochhubwagen und Elektro-Hochhubwagen, bei denen dann deutlich kürzere Standzeiten für die Ladevorgänge anfallen.
Ein weiterer Einsatzbereich wäre die Verwendung als Stromspeicher für die Notversorgung, da selbst bei kleinen Akku-Maßen eine hohe Speicherkapazität erreicht werden kann.
Die Voraussetzung dafür ist allerdings, dass es eine Lösung für die derzeit nur kurze Lebensdauer und die langen Ladezeiten der Akkus gibt. Sowohl staatliche als auch privatwirtschaftliche Förderung zielt genau darauf ab, doch ist der Weg noch lang. Vorsichtige Schätzungen lauten, dass der Lithium-Luft-Akku seine Marktreife frühestens in den 2030er-Jahren erreichen wird.
FAQ zum Lithium-Luft-Akku
Wie alle galvanischen Elemente benötigen auch die Zellen in einem Lithium-Luft-Akkumulator jeweils zwei Elektroden und ein Elektrolyt, das die Ionen (elektrisch geladene Atome) leitet und somit die Energie transportiert.
– Die negative Elektrode (Anode) besteht aus metallischem Lithium, das sich durch ein besonders hohes elektrochemisches Potenzial auszeichnet.
– Die positive Elektrode (Kathode) ist aus Kohlenstoff in einer nanoförmigen Gitterstruktur aufgebaut, um eine möglichst große Reaktionsfläche zu schaffen. Der für die Oxidation notwendige Sauerstoff wird der Umgebungsluft entnommen.
– Die Forschung beschäftigt sich derzeit vor allem mit der Frage, welche Elektrolyten sich am besten für den Lithium-Luft-Akku eignen. Neben gelösten Stoffen kommen auch gaskeramische oder polymerbasierte Festkörper infrage (Festkörperakkumulatoren).
Theoretisch kann die Energiedichte einer Lithium-Luft-Batterie bis zu 11 kWh/kg (Kilowattstunden pro Kilogramm) betragen. Bei gleichem Gewicht hätte ein Lithium-Luft-Akku damit 20-mal mehr Energie als ein leistungsstarker Lithium-Ionen-Akku. Bisher konnten zwar nur Akkus mit 2 kWh/kg realisiert werden, doch die Kapazität wird im Rahmen verschiedener Forschungsprojekte beständig erhöht.
Aufgrund seiner hohen Energiedichte ist der Lithium-Luft-Akku vor allem für die Automobilindustrie und Logistik interessant. Er hat das Potenzial, die Reichweite und Leistungsfähigkeit von Elektrofahrzeugen deutlich zu erhöhen und damit die Elektromobilität voranzubringen.
Ein weiterer Einsatzbereich wäre die Verwendung als Stromspeicher für die Notversorgung, da selbst bei kleinen Abmessungen eine hohe Speicherkapazität erreicht werden kann.
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