Lithium-Luft-Akkumulator

Der Lithium-Luft-Akkumulator ist eine mit Stand 2013 in Forschung befindliche Ausführung eines wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Akkumulators mit einer Zellspannung von 2,91 V. Erste, theoretische Arbeiten zu Lithium-Luft-Akkumulatoren stammen aus Mitte der 1990er Jahre und gehen auf Kuzhikalail M. Abraham und Zhiping Jiang zurück.^{[1] [2]}

Es existieren mehrere mögliche Ausführungsformen welche seit mehreren Jahrzehnten Thema verschiedener Forschungsarbeiten sind. Der Grund für die Forschungstätigkeiten in diesem Bereich liegt in der theoretisch hohen spezifischen Energiedichte von 11,14 kWh/kg. Damit würden Lithium-Luft-Akkumulator um ca. eine 10 bis 20-fach höhere Energiedichte als herkömmliche Lithium-Ionen-Akkumulatoren aufweisen.^[3]

Trotz der in details unterschiedlichen Ausführungsformen ist das grundlegende Funktionsprinzip bei allen Lithium-Luft-Akkumulatortypen ident: Bei der Entladung wird an der negativen Elektrode, ausgeführt aus metallischen Lithium unter Abgabe eines Elektrons ein positives Lithium-Ionen über das Elektrolyt an die positive Elektrode abgegeben, wo das Lithiumion mit Sauerstoff (O₂) zunächst zu Lithiumoxid (Li₂O) und danach zu Lithiumperoxid (Li₂O₂) oxidiert. Bei der Ladung des Akkumlator dreht sich dieser Vorgang um: An der positiven Elektrode wird Sauerstoff (O₂) abgegeben, an der negativen Elektrode metallisches Lithium abgeschieden.

Die positive Elektrode ist als mesoporöser Kohlenstoff aufgebaut und ist am elektrochemischen Prozess nicht direkt beteiligt. Der Kohlenstoff dient als elektrischer Leiter und Anschluss, die mesoporöse Struktur zur Maximierung der Oberfläche um die Reaktion mit Sauerstoff der Lithiumionen im Bereich der positiven Elektroden zu erleichtern. Die negative Elektrode besteht aus einem Block aus metallischen Lithium. Zwischen den beiden Elektroden befindet sich ein Elektrolyt, welcher je nach Ausführungsform in flüssiger Form oder auch fest sein kann. Im letzteren Fall liegt ein Festkörperakkumulator vor.

Die reale Umsetzung von Lithium-Luft-Akkumulatoren stößt auf verschiedene Schwierigkeiten, weshalb sich dieser Akkumulatortyp auf Forschungstätigkeiten ohne praktische Bedeutung beschränkt. Zu den Hauptproblemen des Lithium-Luft-Akkumulators zählen unter anderem:^[4]

• An der mesoporöser Elektrode aus Kohlenstoff kommt es zu einer Verklumpung welche die Kapazität reduziert.
• Die Wirkungen der Porengröße und deren Verteilung im Kohlenstoff ist nur unvollständig verstanden.
• Wird der Sauerstoff der Umgebungsluft entnommen, kann es durch den in der Umgebungsluft immer vorhandenen Wasserdampf (Luftfeuchtigkeit) zu einer Beeinträchtigung der galvanischen Zelle kommen. Ist die Zelle hermetisch abgeschlossen sinkt die hohe spezifische Energiedichte, da das Reservoir für den Sauerstoff mitgerechnet werden muss.
• An der metallischen Lithiumalektrode kann es durch ungewolltes Kristallwachstum und die Ausbildung von sogenannten Dendriten zu inneren elektrischen Kurzschlüssen im Akkumulator kommen.

1. ↑ Kuzhikalail M. Abraham, Zhiping Jiang: A Polymer Electrolyte Based Rechargeable Lithium/Oxygen Battery. Journal of The Electrochemical Society, 1995, doi:10.1149/1.1836378 . 
2. ↑ Patent US5510209: Solid polymer electrolyte-based oxygen batteries. Angemeldet am 5. Januar 1995, veröffentlicht am 23. April 1996, Anmelder: Eic Laboratories, Inc., Erfinder: Kuzhikalail M. Abraham, Zhiping Jiang (Verfallenes Patent).‌
3. ↑ G. Girishkumar, B. McCloskey, A. C. Luntz , S. Swanson und W. Wilcke: Lithium−Air Battery: Promise and Challenges. Hrsg.: IBM Research. American Chemical Society, The Journal of Physical Chemistry Letters, 2010, doi:10.1021/jz1005384 . 
4. ↑ A. Kraytsberg, Y. Ein-Eli: Review on Li–air batteries—Opportunities, limitations and perspective. Band 196, Nr. 3. Journal of Power Sources, 2011, S. 886 - 893, doi:10.1016/j.jpowsour.2010年09月03日1 . 

• Akkumulator