09.05.2016 - Technische Universität München

Indizien weisen den Weg zu neuer Akku-Technologie

Beim Laden von Lithium-Luft-Akkus entsteht hochreaktiver Singulett-Sauerstoff

Lithium-Luft-Akkus gelten als Zukunftstechnologie: Theoretisch können sie nicht nur wesentlich leistungsfähiger sein als die derzeit gängigen Lithium-Ionen-Akkus, sondern auch leichter. Noch sind die neuen Energiespeicher allerdings nicht reif für die Praxis – schon nach wenigen Ladezyklen machen sie schlapp. Woran das liegt, haben jetzt Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) und des Forschungszentrums Jülich untersucht und einen potenziellen Übeltäter entdeckt: Hochreaktiven Singulett-Sauerstoff, der beim Laden des Akkus frei wird.

Eine Schlankheitskur wäre dringend nötig: Mobiltelefone beulen nach wie vor die Jackentaschen aus, und der Transport von portablen Computern führt zu Verspannungen der Schultermuskulatur. Schuld daran sind vor allem die Energiespeicher: Die heute gängigen Lithium-Ionen-Akkus enthalten schwere Elektroden aus Übergangsmetalloxiden.

Leichtgewichtige Alternativen sind daher gefragt. „Einer der vielversprechendsten Ansätze ist der Lithium-Luft-Akku, bei dem die Lithiumkobaltoxid-Kathode durch poröse Kohlenstoffpartikel ersetzt wird“, erklärt Johannes Wandt, Doktorand im Team von Prof. Hubert Gasteiger am Lehrstuhl für Technische Elektrochemie der TUM.

„Die theoretische Energiedichte dieser neuen Akkus ist deutlich höher als die traditioneller Lithium-Ionen-Akkumulatoren.“ Die Technik sei bisher allerdings nicht praxistauglich, weil die Lithium-Luft-Akkus nur eine sehr kurze Lebenszeit haben: Schon nach wenigen Ladezyklen ist die Kohlenstoff Elektrode korrodiert und die Elektrolyt-Flüssigkeit zersetzt sich. „Das Problem ist, dass bisher niemand genau wusste, woran das liegt“, so Wandt.

Das Geheimnis des kurzen Akku-Lebens

Zusammen mit seinen Teamkollegen ist es ihm jetzt gelungen, das Rätsel zu lösen. In einem Experiment, das die Münchner Wissenschaftler zusammen mit Experten vom Forschungszentrum Jülich durchgeführt haben, wurde ein potenzieller Übeltäter, der Elektroden und Elektrolyt-Flüssigkeit angreift, gestellt: Beim Aufladen des Akkus entsteht Singulett-Sauerstoff. Dieser ist extrem reaktionsfreudig. Innerhalb von Sekundenbruchteilen korrodiert er umgebende Materialien.

Der Verdacht, dass Singulett-Sauerstoff den Akku schädigt, ist nicht ganz neu. Doch erst jetzt konnten die Forscher den hochreaktiven Stoff nachweisen. Warum es so lange gedauert hat? „Man hat einfach nicht danach gesucht“, vermutet TUM-Forscher Johannes Wandt: Auf Grund eines Rechenfehlers sei die Forscher-Community fälschlicherweise davon ausgegangen, dass die Reaktion erst bei höheren Spannungen auftrete. Dazu komme ein ziemlich komplizierter Versuchsaufbau.

Zwei Jahre Tüftelarbeit

Um den Ladevorgang genauer untersuchen zu können, bauten die TUM-Forscher einen speziellen Lithium-Luft-Akku. Die Stromabnehmer sind dünn und in Form einer Helix angeordnet, ein Glasgehäuse sorgt für Transparenz. So ist sichergestellt, dass die für die Messung wichtigen Mikrowellenstrahlen und Magnetfelder nicht abgeschirmt werden.

„Außerdem haben wir der Elektrolytflüssigkeit Moleküle beigemengt, die den kurzlebigen Singulett-Sauerstoff einfangen und als stabiles Radikal an sich binden“, berichtet Wandt. „In einem speziellen Messgerät für Elektronen-Paramagnetische-Resonanz Spektroskopie, kurz EPR, in Jülich ist es auf diese Weise gelungen, die Bildung von Singulett-Sauerstoff während des Ladens nachzuweisen.“

Das Problem ist damit erkannt, wenn auch nicht gebannt. Als nächstes wollen die Forscher nun herausfinden, wie sich die Entstehung von Singulett-Sauerstoff beim Laden verhindern lässt. „Diese Grundlagenforschung könnte die Voraussetzung schaffen für die Entwicklung neuer, langlebigerer Lithium-Luft-Akkus“, hofft Wandt.

Fakten, Hintergründe, Dossiers

Mehr über TUM

  • News

    Molekulares Monitoring der RNA-Regulation

    Je besser wir zelluläre Prozesse wie die RNA Regulierung verstehen, desto gezielter können Medikamente entwickelt werden. Besonders schwierig war es bisher, die Regulierung nichtkodierender RNA nachzuverfolgen, also RNA, die nicht weiter zu Proteinen umgesetzt wird. Ein Forschungsteam der T ... mehr

    Synthetische Peptide könnten Bildung schädlicher Ablagerungen verhindern

    Bei der Alzheimer-Demenz geht der Untergang der Hirnzellen mit der Bildung von schädlichen Eiweißaggregaten und -ablagerungen, den sogenannten Amyloid-Plaques, einher. Ähnliche Prozesse spielen aber auch beim Typ-2-Diabetes eine wichtige Rolle. Einem Forschungsteam unter der Führung der Tec ... mehr

    Erster elektrischer Nanomotor aus DNA-Material

    Einem Forschungsteam unter Leitung der Technischen Universität München (TUM) ist es erstmals gelungen, einen molekularen Elektromotor mit der Methode des DNA-Origami herzustellen. Die winzige Maschine aus Erbgut-Material setzt sich selbst zusammen und wandelt elektrische Energie in Bewegung ... mehr

  • q&more Artikel

    Vitalkleber, ein Protein mit Potenzial

    In fast jedem der 17 Ziele der Agenda 2030 für eine nachhaltige Entwicklung spielen Lebensmittel und deren Wertschöpfungskette eine wichtige Rolle [1]. Mit der Agenda haben die Vereinten Nationen einen globalen Handlungsrahmen geschaffen, der sich an alle gesellschaftlichen Akteure richtet. mehr

    Biobasierte Rohstoffströme der Zukunft

    Der anthropogene Klimawandel und die steigende Weltbevölkerung im Verbund mit zunehmender Urbanisierung induzieren globale Herausforderungen an unsere Gesellschaft, die nur durch technologische Fortschritte gelöst werden können. mehr

    Ein Geschmacks- und Aromaschub im Mund

    Der Ernährungstrend hin zu gesünderen Snacks ist ungebremst. Snacks aus gefriergetrockneten Früchten erfüllen die Erwartungen der Verbraucher an moderne, hochwertige Lebensmittel. Allerdings erfordert die Gefriertrocknung ganzer Früchte lange Trocknungszeiten ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Thomas Becker

    Thomas Becker, Jahrgang 1965, studierte Technologie und Biotechnologie der Lebensmittel an der Technischen Universität München (TUM). Im Anschluss arbeitete er von 1992 bis 1993 als Projektingenieur in der Fa. Geo-Konzept. Die Promotion erfolgte 1995 an der TUM. Von 1996 bis 2004 war er als ... mehr

    Monika C. Wehrli

    Monika Wehrli, Jahrgang 1994, schloss ihr Studium mit Schwerpunkt Lebensmittelverfahrenstechnik an der ETH Zürich ab. Seit 2018 forscht sie an der Technischen Universität München am Lehrstuhl für Brau- und Getränketechnologie, wo sie ihre Promotion im Bereich Getreidetechnologie und -verfah ... mehr

    Prof. Dr. Thomas Brück

    Thomas Brück, Jahrgang 1972, absolvierte sein Bachelorstudium (B.Sc.) 1996 in den Fächern Chemie, Biochemie und Management an der Keele University in Stoke on Trent, U.K. Er hält einen Masterabschluss (1997) in Molekularmedizin von derselben Universität und promovierte 2002 auf dem Gebiet d ... mehr

Mehr über Forschungszentrum Jülich

  • News

    Synapsen als Vorbild: Festkörperspeicher in neuromorphen Schaltungen

    Sie sind um ein Vielfaches schneller als Flash-Speicher und benötigen deutlich weniger Energie: Memristive Speicherzellen könnten die Energieeffizienz neuromorpher Computer revolutionieren. In diesen Rechnern, die sich die Arbeitsweise des menschlichen Gehirns zum Vorbild nehmen, funktionie ... mehr

    Alzheimerforschung: Neue Erkenntnisse zur Bildung schädlicher Proteinklümpchen

    Kleine Zusammenlagerungen von Proteinen, sogenannte Aβ-Oligomere, gelten als Hauptverdächtige für die Entstehung der Alzheimer-Demenz. Wo und unter welchen Bedingungen die schädlichen Verklumpungen entstehen, ist bislang jedoch noch unklar. Forschende der Heinrich-Heine-Universität Düsseldo ... mehr

    Wie Katalysatoren aktiver werden

    Eine Schicht, dünn wie ein einziges Atom, macht einen gewaltigen Unterschied: Auf der Oberfläche einer Elektrode verdoppelt sie die Menge des Wassers, die in einer Elektrolyse-Anlage gespalten wird – ohne dass sich dabei der Energiebedarf erhöht. Damit verdoppelt die ultradünne Schicht auch ... mehr

  • q&more Artikel

    Makromolekulare Umgebungen beeinflussen Proteine

    Eine intensive Wechselwirkung von Proteinen mit anderen Makromolekülen kann wichtige Eigenschaften von Proteinen wie z. B. die Translationsbeweglichkeit oder den Konformationszustand signifi kant verändern. mehr

    Koffein-Kick

    Koffein ist die weltweit am weitesten verbreitete psycho­aktive Substanz. Sie findet sich als Wirkstoff in Getränken wie Kaffee, Tee und sog. Energy Drinks. Koffein kann Vigilanz und Aufmerksamkeit erhöhen, Schläfrigkeit reduzieren und die kognitive Leistungsfähigkeit steigern. Seine neurob ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Jörg Fitter

    Jg. 1963, studierte Physik an der Universität Hamburg. Nach seiner Promotion an der FU Berlin war er im Bereich der Neutronenstreuung und der molekularen Biophysik am HahnMeitnerInstitut in Berlin und am Forschungszentrum Jülich tätig. Er habilitierte sich in der Physikalischen Biologie der ... mehr

    Dr. David Elmenhorst

    David Elmenhorst, geb. 1975, studierte Medizin in Aachen und promovierte am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Köln im Bereich der Schlafforschung. 2008/2009 war er Gastwissenschaftler am Brain Imaging Center des Montreal Neuro­logical Institut in Kanada. Seit 2003 ist er in der A ... mehr

    Prof. Dr. Andreas Bauer

    Andreas Bauer, geb. 1962, studierte Medizin und Philo­sophie in Aachen, Köln und Düsseldorf, wo er auf dem Gebiet der Neurorezeptorautoradiografie promovierte. Seine Facharztausbildung absolvierte er an der Universitätsklinik Köln, er habilitierte an der Universität Düsseldorf im Fach Neuro ... mehr

Meistgelesene News

  1. Batterien ohne kritische Rohstoffe
  2. Neue Omikron-Untervariante BQ.1.1 resistent gegen alle therapeutischen Antikörper
  3. Genaue Molekülstruktur eines der wichtigsten Rezeptoren im Immunsystem entschlüsselt
  4. Studie zeigt: Nudelabfälle eignen sich sehr gut für Milchsäureproduktion
  5. Neue Methode revolutioniert Krebsdiagnose
  6. Knotenzentrische Genexpressionsmodelle (NCEMs): Graph Neural Networks enthüllen Kommunikation zwischen Zellen
  7. Das älteste Labortier der Welt
  8. Grüne Chemie: BAM erforscht Arzneimittelproduktion ohne Lösungsmittel und CO₂-Ausstoß
  9. Langlebiger, kostengünstiger Katalysator reduziert den Kohlenstoff-Fußabdruck der Ammoniakproduktion
  10. Rätsel der Festkörperphysik gelöst

Themen A-Z

Alle Themen

q&more – die Networking-Plattform für exzellente Qualität in Labor und Prozess

q&more verfolgt den Anspruch, aktuelle Forschung und innovative Lösungen sichtbar zu machen und den Wissensaustausch zu unterstützen. Im Fokus des breiten Themenspektrums stehen höchste Qualitätsansprüche in einem hochinnovativen Branchenumfeld. Als moderne Wissensplattform bietet q&more den Akteuren im Markt einzigartige Networking-Möglichkeiten. International renommierte Autoren repräsentieren den aktuellen Wissenstand. Die Originalbeiträge werden attraktiv in einem anspruchsvollen Umfeld präsentiert und deutsch und englisch publiziert. Die Inhalte zeigen neue Konzepte und unkonventionelle Lösungsansätze auf.

> mehr zu q&more

q&more wird unterstützt von: