Lithium-Sauerstoff-Batterien: Neue effiziente Sauerstoffkatalysatoren

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Die Lithium-Sauerstoff-Batterie gilt wegen ihrer hohen Energiedichte als die vielversprechendste Batterie der Zukunft. Nachteilig war jedoch bisher ihre schlechte katalytische Leistung an der Sauerstoffkathode. Nun haben Forscher effiziente Sauerstoffkatalysatoren für Lithium-Sauerstoff-Batterien entwickelt.

Funktionsweise und Energiedichte von Lithium-Sauerstoff-Batterien

Technologisch gesehen basiert die Lithium-Sauerstoff-Batterie auf der Reduktion von Sauerstoff innerhalb einer Gasdiffusionselektrode. Durch Li-O2-Batterien könnte sich die Reichweite von Elektroautos deutlich erhöhen. Der kürzlich entwickelte Akku besteht aus zehn gestapelten Zellen. Diese haben jeweils eine Größe von 4 mal 5 Zentimeter und weisen eine Energiedichte von 500 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) auf. Lithium-Ionen-Akkus haben hingegen nur 200 Wh/kg.

Die Ausgangslage der Entwicklung von Li-O2-Batterien

Lithium-Sauerstoff-Batterien nutzen Lithium als negative Elektrode und Sauerstoff aus der Luft als positive Elektrode. Bescheiden ist jedoch noch die volumetrische Dichte (kWh pro Liter). Demzufolge sind die hohe Energiedichte sowie die umweltfreundliche und sichere Nutzung von Vorteil. Hinsichtlich der Kathoden weist sie jedoch eine niedrige Kapazität auf. Durch die Bildung von irreversiblem Lithiumperoxid (Li2O2) und Lithiumoxid (Li2O) ist ihre Recyclingfähigkeit schlecht.

Verbesserte Kapazität und Stabilität

Nun hat eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Prof. Bao Xinhe und Prof. WU Zhongshuai vom Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) effiziente Sauerstoffkatalysatoren entwickelt. Es handelt sich dabei um zweidimensionale Mn3O4-Nanoblätter mit dominanten Kristallebenen auf Graphen (Mn3O4 NS/G) als Katalysatoren. Dadurch konnte eine sehr hohe Kapazität und langzeitige Stabilität erzielt werden. Weitere Hintergründe zu den Forschungsergebnissen sind in der Publikation der Forschungsgruppe in ACS Catalysis nachzulesen.

Forschungsergebnisse

Es stellt sich heraus, dass die Entwicklung von O2-Katalysatoren mit der richtigen Form und hochaktiven Kristallfacetten, die Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) und die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) an den Drei-Phasen-Flächen effektiv reduziert werden kann. Jedoch wies die Forschungsgruppe daraufhin, dass das Trimangantetroxid (Mn3O4 NS/G) mit den (101)-Facetten und angereicherten Sauerstoffleerstellen eine niedrigere Ladungsüberspannung von 0,86 V bot als die von Mn3O4-Nanopartikeln auf Graphen (1,15 V).

Demgegenüber zeigte die Mn3O4-Kathode eine Langzeitstabilität von über 1.300 Stunden und eine hohe spezifische Kapazität von bis zu 35.583 mAh/g bei 200 mA/g und übertraf somit die Leistung der meisten Li-O2-Batterien.

Auch im Hinblick auf die Recyclingfähigkeit konnten die Ergebnisse eine niedrigere Adsorptionsenergie für die Kathode belegen. Dies zeigt eine leichtere Zersetzung von Lithiumperoxid (Li2O2) während des Ladevorgangs.

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