Li-Luft-Batterie

Lithium-Luft-Batterie
von Patrick Schwager

 

Der Wechsel von konventionellen, fosilen Energieträgern hin zu Erneuerbaren Energien, welche Umwelteinflüssen unterworfen sind, macht den Einsatz leistungsstarker Energiespeicher unabdingbar. Im Vergleich zu Bleibatterien, Redox-Flow-Batterien, nickelbasierter Systeme oder moderner Lithium-Ionen-Batterien sind Lithium-Luft-Batterien aufgrund ihrer überragenden Energiedichte von großem Interess. Prinzipiell basiert diese Technologie auf der Reduktion von Sauerstoff (ORR, oxygen reduction reaction) innerhalb einer Gasdiffusionselektrode (GDE). Dabei wird Sauerstoff zu O2•- reduziert, welches mit Li+ koordiniert und LiO2•- bildet [1]. Einerseits kann dieses Zwischenprodukt an der Elektrodenoberfläche adsorbieren und disproportionieren oder weiter reduziert werden, um das feste Entladeprodukt Li2O2 zu bilden. Li2O2 kann jedoch die GDE verstopfen und somit den Sauerstofftransport behindern, was zu einem Kapazitätsverlust führen kann. Andererseits ist die Löslichkeit von LiO2•- im Elektrolyten von besonderer Bedeutung, da sie Einfluss auf die Performance der Batterie hat [2].

Der Forschungsschwerpunkt unserer Arbeitsgruppe liegt auf elektrochemischen Prozessen in der GDE. Die Mechanismen des Ladens und Entladens in organischen Elektrolyten werden unter Verwendung von positionierbaren Mikroelektroden betrachtet. Kurzlebige Zwischenprodukte sowie der Massentransport in porösen Gasdiffusionselektroden werden mittels SECM (elektrochemischen Rastermikroskopie) untersucht. Dafür haben wir einen Aufbau entwickelt, um die Sauerstoffdiffusion und die Durchlässigkeit der GDE zu überwachen. Dabei wird eine Mikroelektrode in einem Abstand von wenigen Mikrometern über der Gasdiffusionselektrode positioniert, um Sauerstoff zu detektieren [3]. Da kein stationärer Strom für die Sauerstoffreduktion in Li-haltigen Elektrolyten gemessen werden kann, wird ein gepulstes Potential an der Mikroelektrode angelegt, um die Oberflächenpassivierung zu eliminieren. Weiterhin wird diese Technik verwendet, um die Verstopfung der GDE während des Entladens (ORR) zu überwachen.

(*) Für die Berechnung der Ladungs- bzw. Energiedichten wurden nur die Aktivmaterialen von Anode und Kathode berücksichtigt. Für die Li-Luft-Batterie wurde weiterhin eine 70%ige Porösität der GDE sowie eine maximale Verfüllung der Poren mit dem Entladeprodukt von 50% angenommen.

[1]C.O. Laoire, S. Mukerjee, K.M. Abraham, E.J. Plichta, M.A. Hendrickson, J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 20127-34.
[2]L. Johnson, C. Li, Z. Liu, Y. Chen, S.A. Freunberger, P.C. Ashok, B.B. Praveen, K. Dholakia, J.-M. Tarascon, P.G. Bruce, Nat Chem 2014, 6, 1091-9.
[3]P. Schwager, D. Fenske, G. Wittstock, J. Electroanal. Chem. 2015, 750, 82-7.

 

(Stand: 21.08.2020)