Japans Super-Akku legt nach: Lithium-Luft-Batterie rückt Benziner-Reichweiten näher

Elektroautos sollen weiter fahren, schneller laden und langlebiger werden – doch die Batterietechnik kommt diesem Ziel bislang nur langsam näher. Die derzeit meistgenutzten Lithium-Ionen-Akkus stoßen längst an physikalische Grenzen. Jetzt sorgt eine Entwicklung aus Japan für Aufsehen: Ein Forschungsteam des National Institute for Materials Science (NIMS) hat eine Batterie vorgestellt, die auf Sauerstoff aus der Luft reagiert und dadurch theoretisch eine ähnliche Energiedichte wie Benzin erreichen könnte.

Diese sogenannte Lithium-Luft-Batterie steht noch am Anfang, doch ihr Potenzial ist enorm. Die Forscher berichten, dass ihre neue Kohlenstoff-Membran gleich drei entscheidende Schwächen bisheriger Systeme behebt – sie steigert Leistung, Lebensdauer und Stabilität. Für Hersteller von Elektroautos und Energiespeichern wäre das ein entscheidender Fortschritt.

Neue Materialstruktur bringt die Technologie voran

In ihrer Studie erklären die Wissenschaftler, wie sie die Reaktionen im Inneren der Batterie besser kontrollieren konnten. In früheren Tests kam es nach wenigen Ladezyklen zu Ablagerungen, die die Leistung beeinträchtigten. „Die Porenstruktur entscheidet darüber, wie effizient Sauerstoff reagieren kann“, sagt Shoichi Matsuda, Leiter des Forschungsteams am NIMS. Gemeinsam mit seinem Team entwickelte er eine Membran aus Kohlenstoff, die winzige Kanäle in verschiedenen Größen enthält:

• Mikroporen kleiner als zwei Nanometer
• Mesoporen zwischen zwei und fünfzig Nanometern
• Makroporen größer als fünfzig Nanometer

Zum Vergleich: Eine DNA-Doppelhelix misst etwa zwei Nanometer, ein Hepatitis-C-Virus rund fünfzig. In dieser Größenordnung finden die chemischen Reaktionen statt, die die Batterie antreiben.

Wie die neue Struktur Energieverluste senkt

Die neue Anordnung der winzigen Kanäle sorgt dafür, dass Sauerstoff gleichmäßig durch das Material strömt. Dadurch laufen die chemischen Reaktionen ruhiger ab, die Batterie arbeitet stabiler und verliert weniger Flüssigkeit, die für den Energieaustausch nötig ist. So steigt die Energiedichte – also die Menge an Energie, die pro Kilogramm gespeichert werden kann.

Der Kohlenstoff wurde anschließend stark erhitzt – auf rund 2100 Grad Celsius. Durch diese Hitzebehandlung ordneten sich die Atome neu und bildeten eine festere, gleichmäßigere Struktur. Das macht die Elektrode widerstandsfähiger und langlebiger. Laut Arghya Dutta, einer der Hauptautoren der Studie, war „die Wärmebehandlung entscheidend, um die Lebensdauer deutlich zu verlängern“. Diese Stabilität sei ein zentraler Fortschritt der neuen Batterie.

19 Zyklen ohne Einbruch: Diese Laborwerte machen Hoffnung

Im Labor hielt die neue Batterie erstaunlich gut durch. Sechs kleine Elektroden, jeweils vier mal vier Zentimeter groß, konnten 19 Mal aufgeladen und entladen werden, ohne dass die Leistung spürbar nachließ. Erst beim 20. Durchlauf fiel die Spannung deutlich ab.

„Unsere Testzelle zeigte eine bemerkenswerte Stabilität für diese frühe Entwicklungsphase“, sagt Matsuda. Die Batterie erreichte dabei in einer Test-Pouchzelle eine Energiedichte von 130 Wattstunden pro Kilogramm – etwa doppelt so viel wie gängige Lithium-Ionen-Akkus.

In Zukunft könnten laut Berechnungen des Instituts sogar über 700 Wattstunden pro Kilogramm sein. Theoretisch liegt das Maximum bei 11.000 Wattstunden, was der Energiedichte von Benzin entspricht.

Herstellung im größeren Maßstab gelungen

Neben der verbesserten Leistung gelang dem Team noch etwas, das bisher kaum möglich war: die Herstellung größerer Elektroden. Der neue Prozess erlaubt es, Membranen mit einer Fläche von 10 mal 10 Zentimetern zu produzieren – ein wichtiger Schritt hin zur industriellen Fertigung.

„Wir wollten zeigen, dass die Technologie nicht nur im Labor, sondern auch in größerem Maßstab funktioniert“, so das Forschungsteam. Diese Skalierung sei entscheidend, um die Batterie später in größerer Stückzahl herstellen zu können. Die gleichbleibende Qualität der Materialien selbst bei größeren Zellgrößen ist einer der größten Erfolge des Projekts.

Warum die Lithium-Luft-Batterie so besonders ist

Im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Akkus nutzt die Lithium-Sauerstoff-Technologie Sauerstoff als Reaktionspartner. In den Experimenten kam der Sauerstoff jedoch nicht aus normaler Umgebungsluft, sondern wurde kontrolliert zugeführt.

Weil der Reaktionspartner prinzipiell „von außen“ kommen kann, gilt die Technik als Kandidat für sehr hohe Energiedichten – interessant vor allem für Anwendungen, bei denen jedes Kilo zählt, etwa in Elektroautos, Flugzeugen und tragbarer Elektronik.

Ein zusätzlicher Vorteil: Die Batterie enthält keine seltenen Metalle wie Kobalt oder Nickel. Das senkt die Kosten, reduziert die Umweltbelastung und verringert Abhängigkeiten von politisch sensiblen Rohstoffmärkten.

Was der Super-Akku für die Zukunft bedeutet

Wenn sich die Ergebnisse bestätigen, könnte diese Technologie neue Maßstäbe setzen:

• Elektroautos mit Reichweiten von über 1000 Kilometern
• Energiespeicher für Solar- und Windstrom mit deutlich höherer Kapazität
• Tragbare Geräte mit längerer Laufzeit und geringerem Gewicht

„Wir stehen erst am Anfang, aber diese Technologie hat das Potenzial, die Art, wie wir Energie speichern, grundlegend zu verändern“, fasst Matsuda zusammen.

Der Weg zur Marktreife dauert noch

Trotz des Fortschritts bleibt der Weg zur Serienfertigung lang. Sauerstoff ist ein reaktives Element, das ungewollte Nebenreaktionen auslösen kann. „Wir müssen Stabilität und Sicherheit weiter verbessern, bevor wir an den Markt denken können“, so Matsuda.

Die Lithium-Luft-Batterie bleibt vorerst ein Projekt im Labor – aber eines, das zeigt, dass der Traum vom „Super-Akku“ realistischer wird als je zuvor. Das Team konzentriert sich nun darauf, die chemischen Prozesse noch besser zu kontrollieren und die Zahl der Ladezyklen zu erhöhen.

Kurz zusammengefasst:

• Die Lithium-Luft-Batterie nutzt Sauerstoff aus der Luft, um Energie zu speichern – sie könnte dadurch deutlich leichter und leistungsstärker werden als heutige Lithium-Ionen-Akkus.
• Forscher entwickelten eine neue Kohlenstoff-Membran, die chemische Reaktionen stabilisiert, die Lebensdauer verlängert und erstmals eine größere Zellproduktion ermöglicht.
• Im Labor erreichte die Batterie eine Energiedichte von 130 Wattstunden pro Kilogramm; theoretisch sind Werte bis 11.000 Wattstunden denkbar – ein Schritt, der Elektroautos, Energiespeicher und mobile Geräte in Zukunft grundlegend verändern könnte.

Übrigens: Alte E-Auto-Batterien könnten bald doppelt nützlich werden – nicht nur als Energiespeicher, sondern auch als Rohstoff für Dünger. Wie ein Ingenieur aus Wisconsin das Recycling neu denkt und Batterieabfälle in Pflanzennahrung verwandelt, steht in unserem Artikel.

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