Robert Klatt
In Japan wurde erstmals ein Prototyp einer Luft-Batterie mit festem Elektrolyten erfolgreich getestet. In Zukunft soll die Batterietechnik eine deutlich höhere Energiedichte und Zyklenfestigkeit als Lithium-Ionen-Batterien bieten.
Tokio (Japan). Lithium-Ionen-Batterien, die etwa in Elektroautos zum Einsatz kommen, werden kontinuierlich weiterentwickelt. Die Technik ist aber bereits relativ ausgereizt und große Verbesserungen sind nicht mehr zu erwarten. Die Wissenschaft arbeitet deshalb an neuen elektrochemischen Systemen.
Als besonders erfolgsversprechend gelten Metall-Luft-Batterien, von denen Prototypen bereits mehr als 1.000 Milliamperestunden pro Gramm (mAh/g) aufnehmen können. Die Energiedichte ist damit bereits deutlich höher als bei Lithium-Ionen-Batterien. Bisher haben Metall-Luft-Batterien aber flüssige Elektrolyte verwendet, die nur eine geringe Zyklenfestigkeit besitzen und daher nicht für den industriellen Einsatz geeignet sind.
Forscher der Waseda Universität haben laut einer Publikation im Fachmagazin Angewandte Chemie nun den Prototyp einer Luft-Batterie aus organischen Molekülen und mit einem festen Elektrolyten erprobt. Dies ist laut Kenji Miyatake eine Weltpremiere.
„Nach meinem Wissen hat bisher noch niemand Luft-Batterien mit organischen Elektrodenmaterialien und einem festen Polymer-Elektrolyten entwickelt.“
Die Forscher setzten bei der Entwicklung nicht auf elektrochemisch aktive, metallische Elektroden, um das Wachstum von scharfen Dendriten während des Lade- und Entladevorgangs zu verhindern. Als Material für die negative Elektrode wählten sie die organische Verbindung 2,5-Dihydroxy-1,4-Benzoquinon (DHBQ) und das darauf basierende Polymer Poly(2,5-Dihydroxy-1,4-Benzoquinon-3,6-Methylen PDBM). Nur bei der positiven Sauerstoff-Elektrode entschieden sie sich in ihrem Prototyp für Titan, das mit Platin beschichtet war. Als fester Elektrolyt wurde das bekannte Membranmaterial, das Fluorpolymer Nafion, verwendet.
In ersten Tests im Labor wurde festgestellt, dass die Kapazität dieser Festkörper-Luft-Batterie bei 176,1 mAh/g lag. Selbst nach 30 Ladevorgängen waren noch 78 Prozent der Kapazität vorhanden. Obwohl diese Ergebnisse zeigen, dass das Batteriemodell bisher nicht für den praktischen Einsatz bereit ist, beweisen sie, dass eine Luft-Batterie mit festem Elektrolyten auch ohne Metall-Elektroden funktionieren kann. Zukünftige Forschung könnte die Beständigkeit über die Ladezyklen hinweg verbessern. Theoretisch könnten sogar bis zu 60.000 Zyklen bei einer Kapazität von 200 mAh/g erzielt werden.
Angewandte Chemie, doi: 10.1002/anie.202304366
