Lithium-Luft-Akkumulatoren haben das Potenzial, herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus überlegen zu sein, da sie bei gleichem Gewicht deutlich mehr Energie speichern können. Voraussetzung dafür ist jedoch, dass es gelingt, ihre bislang nur theoretisch hohen Leistungswerte zu realisieren und die Lebensdauer zu verlängern. Ein Forschungsteam aus China schlägt nun vor, einen löslichen Katalysator zum Elektrolyten hinzuzufügen. Dieser fungiert als Redox-Mediator, der den Ladungstransport verbessert und der Passivierung der Elektroden entgegenwirkt.
Im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Akkus, bei denen Lithium-Ionen zwischen zwei Elektroden hin- und herbewegt werden, nutzt der Lithium-Luft-Akku (Li-O2) eine Anode aus metallischem Lithium. Bei der Nutzung lösen sich positiv geladene Lithium-Ionen von der Anode und wandern zur porösen Kathode, die von Luft durchströmt wird. Dort wird Sauerstoff oxidiert und als Lithiumperoxid (Li2O2) gebunden. Beim Laden wird der Sauerstoff wieder freigesetzt und die Lithium-Ionen werden zurück zu metallischem Lithium reduziert, das sich erneut an der Anode ablagert.
Leider sind die theoretisch hohen Leistungswerte in der Praxis nicht erreichbar. Effekte, die als Überspannung bezeichnet werden, verlangsamen die elektrochemischen Reaktionen: Die Bildung und Zerfall des unlöslichen Li2O2 erfolgen nur langsam, zudem ist dessen elektrische Leitfähigkeit sehr gering. Außerdem neigen die Poren der Kathode dazu, sich zu verstopfen, und die hohe Spannung, die für die Sauerstoffentwicklung erforderlich ist, zersetzt den Elektrolyten und führt zu unerwünschten Nebenreaktionen. Infolgedessen verlieren die Akkus bereits nach wenigen Ladezyklen einen Großteil ihrer Leistung.
Das Team um Zhong-Shuai Wu vom Dalian Institute of Chemical Physics und Xiangkun Ma von der Dalian Maritime University hat ein neuartiges Imidazolyl-Iodid-Salz (1,3-Dimethylimidazolium-Iodid, DMII) als Additiv vorgeschlagen, um die Leistung und Lebensdauer von Lithium-Luft-Akkus zu verbessern.
Die Iodid-Ionen des Salzes können zwischen I3− und I− wechseln, was den Ladungstransport erleichtert und die Reaktionen beschleunigt. Dies führt zu einer geringeren Überspannung an der Kathode und einer erhöhten Entladungskapazität. Die DMI+-Ionen enthalten einen Fünfring, der Lithium-Ionen beim Entladen einfängt und effektiv an Sauerstoff überträgt. Zudem bilden sie eine stabile Grenzschicht auf der Anode, die den Kontakt mit dem Elektrolyten minimiert und so die Zersetzung des Elektrolyten sowie Nebenreaktionen verringert.
Die Testzellen zeigten vielversprechende Ergebnisse mit einer geringen Überspannung von 0,52 V, hoher Zyklusstabilität über 960 Stunden und reversibler Bildung/Zersetzung von Li2O2 ohne Nebenreaktionen.
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Quelle: Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V. (01/2025)
Publikation:
https://doi.org/10.1002/ange.202421107
Freitag, den 31. Januar 2025 um 04:26 Uhr