Wie funktioniert die Lithium-Luft-Batterie?

Neuartige Lithium-Luft-Batterien könnten dank ihres hohen Energiegehalts Lösungen zur Speicherung von regenerativen Energien oder für die Elektromobilität bieten. Ziel eines Forschungsprojekts ist daher, die chemischen Reaktionen in Lithium-Luft-Batterien besser zu verstehen, um die noch bestehenden Hürden auf dem Weg zur Markteinführung zu meistern.

Projektpartner ist die Colorado School of Mines in Golden, Colorado (USA), im Hintergrund mit Blick auf die Rocky Mountains. © D. Grübl

Projektpartner ist die Colorado School of Mines in Golden, Colorado (USA), im Hintergrund mit Blick auf die Rocky Mountains. Hier fanden mehrere Forschungsaufenthalte deutscher Wissenschaftler statt. © D. Grübl

Ziel des Fördervorhabens

Zukunftstechnologien wie die Elektromobilität und die Speicherung von regenerativen Energien erfordern leistungsfähige und kostengünstige Batterien. Konventionelle Lithium-Ionen-Batterien haben noch nicht den notwendigen Energiegehalt für hohe Fahrzeugreichweiten und Speicherdauern. Daher intensivieren sich weltweit die Forschungsaktivitäten auf der Suche nach alternativen Batteriespeichern.

Vergleich der praktisch nutzbaren und theoretischen Energie von ausgewählten Batteriesystemen im Vergleich zu Benzin.

Vergleich der praktisch nutzbaren und theoretischen Energie von ausgewählten Batteriesystemen im Vergleich zu Benzin.
© D. Grübl

Lithium-Luft-Batterien sind interessant, weil sie von allen Batterien den größten Energiegehalt besitzen – theoretisch fast so hoch wie von Benzin, praktisch 5 mal mehr als Lithium-Ionen-Batterien (siehe Abbildung rechts). Neben Lithium wird hier Luftsauerstoff als chemische Energiequelle verwendet. Gewicht und Kosten der Batterie reduzieren sich, weil Sauerstoff aus der Luft „umsonst“ ist. Bis zur Markteinführung sind jedoch noch viele Hürden zu meistern (Lebensdauer, Wirkungsgrad, Leistungsdichte), die allesamt mit den komplexen chemischen Reaktionen in der Batterie zusammenhängen.

Ziel des Projekts ist daher die Aufklärung der chemischen Reaktionen, die in Lithium-Luft-Batterien stattfinden. Dafür werden Methoden der Computersimulation eingesetzt. Projektleiter ist Prof. Bessler von der Hochschule Offenburg; Partner ist Prof. Kee von der Colorado School of Mines.

Einsatz der Ergebnisse

Förderbekanntmachung
Wissenschaftlich-Technologische Zusammenarbeit (WTZ) mit den USA

Partnerregion/-land
USA

Laufzeit
01.01.2015 – 30.06.2016

Partnereinrichtungen
Hochschule Offenburg, Institut für Energiesystemtechnik

Colorado School of Mines, Golden, USA

Potenzielle künftige Anwendungsgebiete der Lithium-Luft-Technologie können sowohl stationäre Energiespeicher (z.B. für regenerative Energien oder zur Netzstabilisierung) wie auch Elektromobilität sein. Bereits seit 2011 ist die Arbeitsgruppe um Prof. Bessler auf dem Gebiet der Lithium-Luft-Batterie tätig. Im BMBF-finanzierten Verbund-Forschungsprojekt „Strom aus Luft und Lithium (LuLi)“ (2011–2014) wurde an elektrochemischen Batteriemodellen für die positive Sauerstoffelektrode geforscht. Darauf aufbauend wird im vorliegenden Projekt der Fokus auf den elektrochemischen Reaktionsmechanismus gelegt. Weitergeführt werden die Aktivitäten der Hochschule Offenburg seit Januar 2016 im neuen „Batterie 2020“-Projekt „Lithium-Batterien mit Luft/Sauerstoffelektrode (LiBaLu)“ (2016–2018). In diesem Projekt soll unter anderem der Projektpartner Varta erste Lithium-Luft-Batteriedemon­stratoren herstellen. Die Hochschule Offenburg entwickelt hierfür das Zelldesign.

Mehrwert der internationalen Zusammenarbeit

Prof. Kee (USA) ist einer der weltweit führenden Experten im Bereich der Simulation komplexer chemischer Systeme. Bereits in den 1980er Jahren entwickelte er entsprechende Computerprogramme, seinerzeit für die Verbrennungsforschung. Heute ist er einer der Hauptentwickler und Anwender (gemeinsam mit dem renommierten Massachussetts Institute of Technology (MIT) und den Sandia National Laboratories) der Open-Source-Software CANTERA. Diese Software ist hervorragend für die Simulation von Lithium-Luft-Batterien geeignet. Der internationale Austausch ermöglichte einen erheblichen Know-how-Aufbau über die CANTERA-Software, die nun an der Hochschule Offenburg weiterentwickelt wird. Neben dem wissenschaftlichen Projektziel, dem Verständnis der Lithium-Luft-Batterie, erhalten wir aus dem Projekt damit einen wesentlichen methodischen Mehrwert: Wir werden in die Lage versetzt, die leistungsstarke Software eigenständig weiterzuverwenden und auch in anderen Projekten einzusetzen.

Besondere Ergebnisse und Erfolge der Maßnahme

Im Rahmen des Projekts fanden bereits mehrere Reisen statt, u.a. ein dreimonatiger Aufenthalt des deutschen Projektdoktoranden in Colorado, ein zweiwöchiger Aufenthalt von Prof. Bessler sowie Reisen von Prof. Kee nach Deutschland. Ein Highlight des Projekts war ein eintägiger Workshop zum Thema „CANTERA und Lithium-Luft-Batterien“, der im Herbst 2015 in Colorado mit acht Teilnehmern von der Colorado School of Mines, Hochschule Offenburg, Sandia National Laboratories sowie zwei amerikanischen Industriefirmen stattfand.

Forschungsergebnisse der Hochschule Offenburg: Chemische Reaktionen in der positiven Elektrode der Lithium-Luft-Batterie.

Forschungsergebnisse der Hochschule Offenburg: Chemische Reaktionen in der positiven Elektrode der Lithium-Luft-Batterie.
© D. Grübl

Aus dem Projekt sind bereits mehrere wissenenschaftliche Veröffentlichungen hervorgegangen, weitere sind in Vorbereitung. Wir konnten zum Beispiel zeigen, dass die typische Asymmetrie des Entlade-/Ladeverhaltens von Lithium-Luft-Batterien von einer irreversiblen Disproportionierungsreaktion von Lithiumoxiden verursacht wird (siehe Abbildung links) – ein Ergebnis, das bisher nur vermutet wurde, von unser aber quantitativ gezeigt werden konnte.

 

DLR Projektträger | Europäische und internationale Zusammenarbeit
Barbara Hellebrandt
Tel.: +49 228 3821-1433

Hochschule Offenburg
Prof. Dr. Wolfgang G. Bessler
Tel.: + 49 781 2504653