CATL: Atmende Zellen / Li-air sind das Hauptforschungsfeld der Zukunft. Mehrere Male höhere Energiedichten

Wu Kai, leitender Wissenschaftler bei CATL, dem weltweit größten Hersteller von Li-Ionen-Zellen, bezeichnete die Technologie der Lithium-Luft-Zellen, die buchstäblich Sauerstoff aus der Atmosphäre aufnehmen, als „Hauptforschungsbereich des Unternehmens der Zukunft“, berichtet die Website Interested Engineering. Es handelt sich dabei nicht mehr um klassische Zellen mit festem Elektrolyten, deren Energiedichte 1,5 bis 2 Mal höher ist als die der heutigen Zellen, sondern um Produkte, die bei derselben Masse sogar viermal so viel Energie speichern können.

Li-air. In fester Ausführung von CATL: Ein Traum

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Li-air. In fester Ausführung von CATL: Ein Traum

Li-air. Eine alte Technologie mit zahlreichen ungelösten Problemen

Eine viermal höhere Energiedichte (1,2 kWh/kg) ist keine willkürliche Zahl, sondern das Ergebnis von Berechnungen von Wissenschaftlern am amerikanischen Argonne National Lab, die seit mehreren Jahren Prototypen von Li-Air-Zellen testen. Eine heutige Batterie für Elektroautos mit einer Kapazität von etwa 80 kWh, die ein halbes Tonnen wiegt, könnte bei Verwendung von Li-Air-Zellen etwa 150 Kilogramm wiegen und dieselbe Kapazität haben. Sie könnte auch auf 250 Kilogramm ansteigen, um dem Fahrer eines Elektroautos eine Reichweite zu bieten, die der eines konkurrierenden Verbrennungsmotorfahrzeugs bei genau derselben Masse und einer besseren Gewichtsverteilung (niedrig über dem Boden) entspricht.

Aufbau der Li-Air-Zelle (c) ANL

Die Energiedichte von Benzin beträgt 12,9 kWh/kg. Die theoretische maximale Energiedichte von Li-Air-Zellen liegt fast auf dem Niveau der Energiedichte von reinem Lithium, also bei etwa 11,1 kWh/kg, doch in der Praxis konnte man nicht mehr als etwa 1/7 dieses Wertes erreichen (~1,7 kWh/kg; Quelle). Ein Limit ist hier das Lithium selbst, das die Zelle entlang der Ionenwege (Dendriten) überwuchert und zu einem Kurzschluss führt, wenn es in zu großen Mengen vorhanden ist. Im Vergleich zu Benzin sieht das schlecht aus, man sollte jedoch bedenken, dass im Elektroauto etwa 80-90 Prozent der gespeicherten Energie die Räder erreichen, während bei Verbrennungsfahrzeugen eine Wirkungsgrad von 25-30 Prozent angenommen wird (3,2-3,9 kWh/kg).

Li-Air. Eine alte Technologie mit vielen ungelösten Problemen

Das größte Problem der Li-air-Zellen ist ihre geringe Lebensdauer. Das reine Lithium, aus dem die Anode besteht, reagiert mit dem Elektrolyten, wodurch Schichten aus Oxid, Hydroxid und Carbonat des Lithiums entstehen. Zunächst schützen diese Schichten die Elektrode vor weiterer Korrosion, blockieren aber im Laufe der Zeit den Ionenfluss. Der freie Zugang zur Luft – siehe Name; die Oxidation ist Voraussetzung für den Elektronenfluss – führt dazu, dass ähnliche Verbindungen an jedem Ort der Zelle entstehen können, wo Lithium vorhanden ist. Es wird über den Einsatz harter Beschichtungen für die Anode nachgedacht, die einen Ionenfluss ermöglichen, aber eine Reaktion mit atmosphärischen Faktoren verhindern und zugleich das Wachstum von Dendriten blockieren (vgl.: feste Elektrolyte).

Batterie CATL Shenxing Pro. Bei Verwendung von Li-Air-Zellen werden zusätzliche Leitungen zum Zuführen von Luft benötigt, und wenn sie schnell geladen werden sollen, auch ein Kompressor.

In der Kathode reicht hingegen eine kleine Menge Wasser aus, damit das Lithiumoxid in ein Lithiumhydroxid umgewandelt wird, das ihre Struktur auflöst. Deshalb wissen wir heute, nach mehreren Jahrzehnten der Forschung an atmenden Batterien, noch nicht einmal, ob der bessere Weg elektrolytische Systeme auf Wasserbasis (mit isolierter Anode) sind, in denen sich Lithiumoxide und -hydroxide frei mischen, oder protonbasierte Systeme, die Lithiumoxide nicht lösen (und daher keine Lithiumhydroxide bilden), aber dadurch zur Verstopfung der Kathode führen.

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