Neue Luft-Batterie mit festem Elektrolyten soll Lithium-Ionen-Batterien übertreffen
Lithium-Ionen-Batterien haben zwar immer höhere Speicherkapazitäten, doch Forschende entwickeln immer wieder neue elektrochemische Systeme, die sie noch übertreffen sollen. Die Metall-Luft-Batterie zählt hier zu den vielversprechenden Kandidaten. In Metall-Luft-Batterien wird die elektrische Energie aus der chemischen Reaktion von Metallen mit Sauerstoff freigesetzt. So gibt es bereits erste Lithium-Luft-Batterien, die mit mehr als 1000 Milliamperestunden pro Gramm (mAh/g) ein Vielfaches der Strommengen heute verfügbarer Lithium-Ionen-Batterien speichern.
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Luft-Batterie nutzt erstmals festen Elektrolyten
Allerdings nutzen diese Batterien flüssige Elektrolyte, leiden unter geringer Zyklenfestigkeit und sind noch lange nicht reif für den Praxiseinsatz. Doch dieses Problem wollen nun japanische Forschende laut heise mit einer Luft-Batterie aus organischen Molekülen und mit einem festen Elektrolyten lösen. „Nach meinem Wissen hat bisher noch niemand Luft-Batterien mit organischen Elektrodenmaterialien und einem festen Polymer-Elektrolyten entwickelt“, sagt Kenji Miyatake von der Waseda Universität in Tokio.
Auf elektrochemische aktive, metallische Elektroden verzichteten die Forscher:innen und vermieden so die Bildung von spitzen Dendriten beim Laden und Entladen der Batterie. Ihre Wahl für die negative Elektrode fiel auf die organische Substanz 2,5-Dihydroxy-1,4-Benzoquinon (DHBQ) und das darauf aufbauende Polymer Poly (2,5-Dihydroxy-1,4-Benzoquinon-3,6-Methylen PDBM). Lediglich für die positive Sauerstoff-Elektrode griffen sie für ihren Prototyp auf mit Platin beschichtetes Titan zurück. Der feste Elektrolyt bestand aus einem gängigen Membranmaterial, dem Fluorpolymer Nafion.
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Konzept noch weit von Anwendung entfernt
Erste Laborversuche zeigten, dass diese Festkörper-Luft-Batterie eine gravimetrische Kapazität von 176,1 mAh/g aufwies. Nach 30 Ladezyklen konnte man noch eine Kapazität von 78 Prozent nachweisen. Mit diesen Werten ist dieses Batterie-Konzept noch weit von einer Anwendung entfernt. Doch belegt es zum ersten Mal, dass auch ohne Metall-Elektroden eine Luft-Batterie mit festem Elektrolyten tatsächlich funktioniert.
In weiteren Entwicklungsschritten könnte sich nun die Zyklenfestigkeit weiter erhöhen. Theoretisch wären bis zu 60.000 Zyklen bei einer Kapazität von 200 mAh/g möglich. „So könnte diese Technologie die Lebensdauer von Batterien in kleinen elektronischen Geräten verlängern“, sagt Miyatake. Doch es sei auch vorstellbar, dass die Erfahrungen mit festen Elektrolyten auch die Stabilität zukünftiger Metall-Luft-Batterien mit drastisch höheren Speicherkapazitäten verbessern helfen könnte.
