Erster Prototyp: Luft-Batterie mit festem Elektrolyten funktioniert
21.08.2023 08:00 Uhr Jan Oliver Löfken
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(Bild: Roland Magnusson / Shutterstock.com)
Japanische Forschende entwickeln allerersten Prototyp einer speziellen Luft-Batterie auf der Basis von organischen Elektrodenmaterialien.
Stetig steigt die Speicherkapazität von Lithium-Ionen-Batterien an. Doch für größere Sprünge wird intensiv an neuen elektrochemischen Systemen geforscht. Metall-Luft-Batterien zählen hier zu den vielversprechenden Kandidaten. So wurden bereits erste Lithium-Luft-Batterien entwickelt, die mit mehr als 1000 Milliamperestunden pro Gramm (mAh/g) ein Vielfaches der Strommengen heute verfügbarer Lithium-Ionen-Batterien speichern. Allerdings nutzen diese Batterien flüssige Elektrolyte, leiden unter geringer Zyklenfestigkeit und sind noch lange nicht reif für den Praxiseinsatz. Doch dieses Problem wollen nun japanische Forscher mit einer Luft-Batterie aus organischen Molekülen und mit einem festen Elektrolyten lösen, die sie in der Zeitschrift "Angewandte Chemie" präsentierten.
"Nach meinem Wissen hat bisher noch niemand Luft-Batterien mit organischen Elektrodenmaterialien und einem festen Polymer-Elektrolyten entwickelt“, sagt Kenji Miyatake von der Waseda Universität in Tokio [1]. Auf elektrochemische aktive, metallische Elektroden verzichteten die Forscher und vermieden so die Bildung von spitzen Dendriten beim Laden und Entladen der Batterie [2]. Ihre Wahl für die negative Elektrode fiel auf die organische Substanz 2,5-Dihydroxy-1,4-Benzoquinon (DHBQ) und das darauf aufbauende Polymer Poly (2,5-Dihydroxy-1,4-Benzoquinon-3,6-Methylen PDBM). Lediglich für die positive Sauerstoff-Elektrode griffen sie für ihren Prototyp auf mit Platin beschichtetes Titan zurück. Der feste Elektrolyt bestand aus einem gängigen Membranmaterial, dem Fluorpolymer Nafion.
"Lebensdauer von Batterien in kleinen elektronischen Geräten verlängern"
Erste Laborversuche zeigten, dass diese Festkörper-Luft-Batterie eine gravimetrische Kapazität von 176,1 mAh/g aufwies. Nach 30 Ladezyklen konnte noch eine Kapazität von 78 Prozent nachgewiesen werden. Mit diesen Werten ist dieses Batterie-Konzept noch weit von einer Anwendung entfernt. Doch belegt es zum ersten Mal, dass auch ohne Metall-Elektroden eine Luft-Batterie mit festem Elektrolyten tatsächlich funktioniert.In weiteren Entwicklungsschritten könnte nun die Zyklenfestigkeit weiter erhöht werden. Theoretisch wären bis zu 60.000 Zyklen bei einer Kapazität von 200 mAh/g möglich. "So könnte diese Technologie die Lebensdauer von Batterien in kleinen elektronischen Geräten verlängern", sagt Miyatake. Doch es ist auch vorstellbar, dass die Erfahrungen mit festen Elektrolyten auch die Stabilität zukünftiger Metall-Luft-Batterien mit drastisch höheren Speicherkapazitäten verbessern helfen könnte.
(jle [4])
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