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Das Geheimnis der Lithium-Luft-Batterien: Warum werden sie als zukünftiger Star der Elektrofahrzeuge gefeiert?
Da die Nachfrage nach Elektrofahrzeugen und erneuerbarer Energie steigt, sind Lithium-Luft-Batterien (Li-Luft) aufgrund ihrer theoretisch hohen Energiedichte schnell in den Fokus der Branche gerückt. Lithium-Luft-Batterien sind elektrochemische Metall-Luft-Zellen, die durch die Oxidation von Lithium an der Anode und die Reduktion von Sauerstoff an der Kathode elektrischen Strom erzeugen. Die Batterie, die Lithium nutzt, um mit Sauerstoff aus der Umgebung zu reagieren, soll das Potenzial haben, eine Energiedichte zu erreichen, die mit der von Benzin in Verbrennungsmotoren vergleichbar ist.
Theoretisch kann die Energiedichte von Lithium-Luft-Batterien etwa 40,1 MJ/kg oder 11,14 kWh/kg erreichen, was ihnen ein beispielloses Potenzial für den Einsatz in Elektrofahrzeugen verleiht.
Laut vorliegenden Untersuchungen ist auch die tatsächliche Energiedichte von Lithium-Luft-Batterien recht beeindruckend und liegt bei etwa 6,12 MJ/kg (1,7 kWh/kg). Diese Daten übertreffen die derzeit handelsüblichen Lithium-Ionen-Batterien bei weitem und können ein Elektrofahrzeug mit einem Gewicht von bis zu 2.000 kg theoretisch dabei unterstützen, etwa 500 Kilometer weit zu fahren. Um eine kommerzielle Nutzung zu erreichen, müssen Lithium-Luft-Batterien jedoch noch große Herausforderungen bewältigen, beispielsweise in Bezug auf die praktische Leistung und Lebensdauer.
Geschichte
Das Konzept der Lithium-Luft-Batterien tauchte erstmals in den 1970er Jahren auf, als man sie vor allem als potenzielle Batteriestromquelle für Elektro- und Hybridfahrzeuge betrachtete. Aufgrund technologischer Herausforderungen blieb das Konzept jahrzehntelang brach, doch Fortschritte in der Materialwissenschaft führten in den 2000er Jahren zu einem erneuten Aufleben des Interesses an der Technologie.
Obwohl die technologischen Fortschritte bei Lithium-Luft-Batterien beeindruckend sind, stellen Herausforderungen wie Batterieladezeit, Feuchtigkeitsempfindlichkeit und schlechte Leitfähigkeit des Li2O2-Materials weiterhin erhebliche Hindernisse für die Kommerzialisierung dar.
Aufbau und Funktionsweise
Lithium-Luft-Batterien bestehen üblicherweise aus einer Anode, einer Kathode und einem Elektrolyt. Während der Entladung bewegen sich Lithiumionen durch den Elektrolyten zwischen Anode und Kathode und Elektronen wandern durch einen externen Stromkreis, um elektrische Arbeit zu verrichten. Beim Laden lagert sich Lithiummetall an der Anode ab und an der Kathode wird Sauerstoff freigesetzt.
Anode
Verglichen mit anderen Metallmaterialien ist Lithiummetall die gängige Anodenwahl in Lithium-Luft-Batterien. Die hohe spezifische Kapazität von Lithiumanoden (3.840 mAh/g) unter guten Bedingungen ist zweifellos einer ihrer Vorteile, aber sie sind auch mit Herausforderungen wie Reaktionen zwischen Lithiummetall und Elektrolyt sowie dem Risiko von Lithiumdendriten verbunden, die die Leistung der Batterie verringern können. und Lebensdauer.
Derzeit versuchen viele Parteien, den negativen Auswirkungen dieses dendritischen Lithiums durch neue Elektrolytmaterialien oder ein verbessertes Schnittstellendesign zu begegnen.
Kathode
Die Kathodenbegasung ist eine der Kerntechnologien von Lithium-Luft-Batterien und die Sauerstoffreduktionsreaktion ist entscheidend für die Batterieeffizienz. Die Studie wies darauf hin, dass mesoporöse, kohlenstoffkoordinierte Metallkatalysatoren die Reduktionskinetik und die spezifische Kapazitätsleistung der Kathode wirksam verbessern können, was ihr in praktischen Anwendungen eine bessere Leistung ermöglicht.
Elektrolytvielfalt
Derzeit gibt es vier Hauptwege für das Elektrolytdesign von Lithium-Luft-Batterien: wässriger saurer Elektrolyt, wässriger alkalischer Elektrolyt, nichtwässriger Protonenelektrolyt und nichtwässriger Elektrolyt. Jeder Elektrolyt hat seine Vor- und Nachteile. Beispielsweise können wässrige Elektrolyte eine Verstopfung der Kathode verhindern, aber die Reaktion von Lithiummetall mit Wasser bringt neue Sicherheitsrisiken mit sich.
Das hybride wässrig-anawässrige Elektrolytdesign versucht, die Vorteile beider zu kombinieren, um eine sicherere und effizientere Lithium-Luft-Batterie zu schaffen.
Zukünftige Aussichten und Herausforderungen
Zu den Herausforderungen bei Lithium-Luft-Batterien zählen neben technischen Problemen auch Zuverlässigkeit, Wirtschaftlichkeit und Marktakzeptanz. Da die Nachfrage nach Batterien mit höherer Energiedichte weiter steigt, arbeiten die wissenschaftliche Forschungsgemeinschaft und entsprechende Unternehmen intensiv an der Lösung dieser Probleme. \
AbschlussDas theoretische Potenzial und die praktischen Anwendungsaussichten von Lithium-Luft-Batterien sind attraktiv, aber um ihnen auf dem Markt für Elektrofahrzeuge zum Erfolg zu verhelfen, müssen noch viele technische und marktbezogene Hindernisse überwunden werden. Ob Lithium-Luft-Batterien in Zukunft die gängige Wahl für Elektrofahrzeuge werden können und wie sich dieses Ideal verwirklichen lässt, muss sich erst noch zeigen.
