Language
Country/Area
No result found
Die Revolution der Lithium-Luft-Batterien: Warum wuchs das Interesse der Wissenschaftler nach den 2000er Jahren wieder?
Eine Lithium-Luft-Batterie (Li-Luft) ist eine elektrochemische Metall-Luft-Batterie, die zur Erzeugung von elektrischem Strom die Oxidationsreaktion von Lithium an der Anode und die Reduktionsreaktion von Sauerstoff an der Kathode nutzt. Wissenschaftler haben spekuliert, dass die Kombination von Lithium mit Umgebungssauerstoff theoretisch zu einer elektrochemischen Zelle mit der höchstmöglichen spezifischen Energie führen könnte. Laut Forschung können wasserfreie Lithium-Luft-Batterien theoretisch eine spezifische Energie von etwa 40,1 MJ/kg erreichen, wenn sie geladen werden (mit Li2O2 als Produkt und ohne die Masse an Sauerstoff), was mit der theoretischen spezifischen Energie von Benzin vergleichbar ist, das beträgt etwa 46,8 MJ/kg. Also sehr nah dran.
Obwohl die Leistung aktueller Lithium-Luft-Batterien noch nicht das theoretische Niveau erreicht hat, ist ihre potenzielle spezifische Energie etwa fünfmal so hoch wie die von handelsüblichen Lithium-Ionen-Batterien und kann eine Reichweite von etwa 500 Kilometern erreichen, was erneut die Aufmerksamkeit auf sich gezogen hat der wissenschaftlichen Gemeinschaft. Diese Technologie.
Das Konzept der Lithium-Luft-Batterien wurde bereits in den 1970er Jahren vorgeschlagen, zunächst als Energiequelle für Elektro- und Hybridfahrzeuge. Damals wurde jedoch angenommen, dass das Konzept aufgrund der technischen Herausforderungen, die mit den Batterien verbunden waren, wie z. B. der Rückladezeit, der Empfindlichkeit gegenüber Stickstoff und Wasser sowie der schlechten inneren Leitfähigkeit, keine angemessenen Risiken im Vergleich zu den Vorteilen birgt. Infolgedessen ging die Forschung an Lithium-Luft-Batterien nur langsam voran, bis das Feld Ende der 2000er Jahre aufgrund von Fortschritten in der Materialwissenschaft erneut an Interesse gewann.
Design und Funktionsmechanismus
Das grundlegende Funktionsprinzip von Lithium-Luft-Batterien besteht darin, dass sich Lithiumionen in einem Elektrolyt zwischen Anode und Kathode bewegen. Bei der Entladung der Batterie werden Elektronen über einen externen Stromkreis in elektrische Energie umgewandelt, während sich Lithiumionen zur Kathode bewegen. Beim Laden lagert sich Lithiummetall an der Anode ab und an der Kathode wird Sauerstoff freigesetzt.
Herausforderungen von Kathode und Anode
Beim Design von Lithium-Luft-Batterien wird üblicherweise Lithiummetall als Anode verwendet. Lithium gibt an der Anode Elektronen ab, wodurch die Anode jedoch auch mit zahlreichen Herausforderungen konfrontiert wird, wie etwa einer Reaktion mit dem Elektrolyten, einer dendritischen Lithiumablagerung und chemischen Veränderungen an der Elektrolyt-Grenzfläche. Diese Herausforderungen können zu einer Reduzierung der Energiekapazität oder zu einer Kurzschlussgefahr führen.
Auf der Kathodenseite besteht bei der Sauerstoffreduktionsreaktion auch das Problem einer übermäßigen Produktansammlung und einer geringen Katalysatoreffizienz, was die grundlegende Leistung von Lithium-Luft-Batterien stark beeinträchtigt.
Innovation bei Elektrolyten
Um die oben genannten technischen Herausforderungen zu bewältigen, begannen Forscher, verschiedene Elektrolytdesigns zu untersuchen, darunter wässrige saure, alkalische und wässrige Elektrolyte. Jeder Elektrolytansatz hat seine spezifischen Vor- und Nachteile, bei allen besteht jedoch noch Raum für weitere Verbesserungen.
Kommerzialisierung und Zukunftsaussichten
Obwohl die Leistung von Lithium-Luft-Batterien im Labor ermutigend ist, müssen auf dem Weg zur Kommerzialisierung noch viele Schwierigkeiten überwunden werden. Beispielsweise müssen Probleme wie Langzeitstabilität und Zyklenlebensdauer berücksichtigt werden. Der Bedarf der Automobilindustrie an Batterien, insbesondere an Batterien mit hoher Energiedichte, bleibt die Hauptantriebskraft für die Entwicklung von Lithium-Luft-Batterien.
Angesichts des doppelten Drucks durch Strombedarf und Umweltprobleme werden Wissenschaftler ihre Forschung niemals einstellen. Können sie in Zukunft eine bahnbrechende Lösung finden, die zur Kommerzialisierung der Lithium-Luft-Batterietechnologie führt?
Lithium-Luft-Batterien könnten sich in Zukunft zum gängigen Antrieb für Elektrofahrzeuge entwickeln. Dies liegt nicht nur daran, dass ihre hohe Energiedichte die Reichweite deutlich erhöhen kann, sondern auch daran, dass sie die Speicherung erneuerbarer Energien effizienter machen können. Die derzeitigen technologischen Einschränkungen erfordern jedoch, dass die Forscher weiterhin hart arbeiten und innovativere Wege erkunden. Wird der Tag kommen, an dem Lithium-Luft-Batterien unsere Art, mit Elektrofahrzeugen zu reisen, wirklich verändern?
