Testzellen für elektrochemische Untersuchungen der Batterien
TU Graz
Forscher der TU Graz haben nun in Zusammenarbeit mit den Universitäten St. Andrews, Oxford und Amiens sowie dem Collège de France den Entlademechanismus der Lithium-Luft-Batterie besser aufgeklärt: Die Art des Elektrolyten wirkt sich entscheidend auf die effektive Kapazität der Batterie aus.
Forscher der TU Graz haben nun in Zusammenarbeit mit den Universitäten St. Andrews, Oxford und Amiens sowie dem Collège de France den Entlademechanismus der Lithium-Luft-Batterie besser aufgeklärt: Die Art des Elektrolyten wirkt sich entscheidend auf die effektive Kapazität der Batterie aus.
"Wir haben den Entlademechanismus der Lithium-Luft-Batterie untersucht und gezeigt, welche Faktoren für die effektive Kapazität der Batterie verantwortlich sind", erläutert Stefan Freunberger vom Institut für Chemische Technologie von Materialien der TU Graz. Er hat diesen Aspekt gemeinsam mit Kollegen Universitäten von St. Andrews, Oxford und Amiens sowie des Collège de France unter die Lupe genommen.
Elektrolyt entscheidet Kapazität
Die Kapazität der Lithium-Luft-Batterie ist anders als bei jetzigen Batterien nicht fest bestimmt, sondern wird von mehreren Faktoren beeinflusst, erläutern die Forscher. Zentral ist der Elektrolyt, der die Ionen leitet. Der Sauerstoff in der entladenen Lithium-Luft-Batterie ist idealerweise in Form von Peroxid vorhanden, also in fester, unlöslicher Form, erklären sie weiter. Die Zwischenstufe dorthin sei sogenanntes Superoxid. Je löslicher die Zwischenstufe während des Entlademechanismus ist, desto besser wirke sich das auf die Kapazität der Batterie aus. "Wir haben herausgefunden, dass das Rädchen, an dem man drehen muss, in der sogenannten Donorzahl des Elektrolyten liegt. Diese Zahl beschreibt die Bindungsstärke zwischen dem Lösungsmittel und den Kationen eines darin gelösten Salzes und bestimmt die Löslichkeit der Zwischenstufe", führt Stefan Freunberger aus. Ein Elektrolyt mit hoher Donorzahl sei also der Schlüssel zur gesteigerten Kapazität der Lithium-Luft-Batterie. "Hohe Donarzahlen haben beispielsweise Sulfoxide oder Imidazol. Letzteres ist eine Stickstoffverbindung, die wir in unserer Untersuchung als Modellsubstanz verwendet haben."
Gerichtete Forschung statt "trial and error"
Damit sei das theoretische Gerüst der Lithium-Luft-Batterie noch fundierter. "Wir haben nun viele trial and error-Versuche aus dem Weg geschafft und wissen, wir müssen einen Elektrolyten mit möglichst hoher Donorzahl verwenden. Nun können wir die Lithium-Luft-Batterie zielgerichteter bis zu ihrer tatsächlichen Verwendung erforschen", betont Stefan Freunberger, der als nächstes die Herstellung eines Polymerelektrolyten mit hoher Donorzahl in Angriff nehmen will.
Die Ergebnisse können in der Originalpublikation (Lee Johnson, Chunmei Li, Zheng Liu, Yuhui Chen, Stefan A. Freunberger, Jean-Marie Tarascon, Praveen C. Ashok, Bavishna B. Praveen, Kishan Dholakia and Peter G. Bruce: The role of LiO2 solubility in O2 reduction in aprotic solvents and its consequences for Li-O2 batteries. Nature Chemistry, November 2014, DOI 10.1038/nchem.2101. ) in Nature Chemistry nachgelesen werden.