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Lithium-Air Batteries with split Oxygen Harvesting and Redox processes

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Eine Lithium-Luft-Ladelösung erreichen

Wiederaufladbare Lithium-Ionen (Li-ion)-Batterien sind in heutigen Elektrofahrzeugen die Regel. Diese müssen jedoch nach etwa 150 km erneut aufgeladen werden. Lithium-Luft-Batterien könnten dies schon bald ändern. Durch Pionierarbeit wurden Entwurfserwägungen hervorgehoben.

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Eine Lithium-Metallanode anstelle von Graphit und die Nutzung von Sauerstoff (O2) aus der Luft als Kathode verspricht eine bis zu zehnmal höhere Energiedichte. Die O2-Reduktion im Anschluss an die Li-ion-Reaktion führt zur Ablagerung eines festen Produkts innerhalb von Kathodenporositäten und zu einer Kathodenblockierung. Wissenschaftler nahmen sich diesem Thema über einen radikalen Ansatz an, der noch nicht erprobt worden ist. Das EU-finanzierte Projekt LABOHR (Lithium-air batteries with split oxygen harvesting and redox processes) unterstützte Untersuchungen zum Lithium-Luft-Batteriebetrieb bei einer Flutkonfiguration (zweipolig), wobei das Elektrolyt als Träger von Ladungsteilchen und Sauerstoff eine Doppelfunktion erfüllte. Herkömmliche Metall-Luft-Batterien sowie Brennstoffzellen sind auf dreipolige Kontaktflächen innerhalb der Kathode angewiesen. Die Kontakte stellen den Elektronen- und Wasserstofftransport sowie den O2-Zustrom sicher. Im Falle von Lithium-Luft-Batterien ändert diese Konfigurationseinstellung jedoch die Porosität und Hydrophobizität der Kathode aufgrund der Bildung von Reduktionsprodukten an den dreipoligen Kontaktflächen. Im Zuge bahnbrechender Untersuchungen überprüfte das Team eine Elektrodenkonfiguration (eine Flutkonfiguration) mit zweipoligen Kontaktflächen. Der Elektrolyt- oder Ladungsteilchenträger wird ebenfalls als O2-Träger verwendet, um O2 über ein externes Gerät zur O2-Abschöpfung aus der Umgebungsluft abzuschöpfen. Im Zuge des LABOHR-Konzepts werden umweltfreundliche ionische Flüssigelektrolyte und nanostrukturierte Elektroden angewandt, die trockenen O2 aus der Luft abschöpfen. Wissenschaftler bereiteten Anoden- und Kathodenmaterial vor und testeten dieses, das O2-Abschöpfungskonzept wurde entwickelt und die Integrierung zahlreicher ionischer Flüssigkeiten sowie fester Polymerelektrolyte in die Elektrodensysteme wurde vorbereitet und durchgeführt. Im Rahmen grundlegender Untersuchungen wurden die physikalisch-chemischen Parameter für das Modell eines kompletten Lithium-Luft-Batteriesatzes bereitgestellt. Auch wenn bis zu einer Implementierung von Lithium-Luft-Batterien voraussichtlich noch ein oder zwei Jahrzehnte vergehen werden, hat das LABOHR-Projekt einen wesentlichen Beitrag zum Voranschreiten der Entwicklung geleistet. Studien bestätigten die Bedeutung einer Verwendung ionischer flüssigkeitsbasierter Elektrolytlösungen, um Probleme hinsichtlich der Lösungsreaktivität und -volatilität anzugehen und hoben Probleme hinsichtlich des Betriebs von Lithium-Luft-Batterien in einer dreipoligen Konfiguration hervor. Das Konzept eines löslichen Redox-„Shuttles“ eröffnetet zudem eine neue Möglichkeit im Hinblick auf eine praxistaugliche Lithium/O2-Batterie. In der Zwischenzeit können die Untersuchungen zu Elektrolyten und Elektrodenmaterial möglicherweise kurzfristig auf den Lithium-Ion-Bereich angewandt werden.

Schlüsselbegriffe

Lithium-Luft, Lithium-Ionen, wiederaufladbare Batterien, Elektrofahrzeuge, Sauerstoffabschöpfung, Redoxprozesse

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