Aufgrund ihrer großen gravimetrischen und volumetrischen Energiedichten sind Li-Ionen-Batterien die Technologie der Wahl für tragbare Elektronik und Elektromobilität. Die positiven und negativen Elektroden in Li-Ionen-Batterien können Li speichern, dessen spezifisches Gewicht ein entscheidender Faktor für die Energiedichte ist. Da die Energiedichte von Li-Ionen-Insertionschemikalien an ihre Grenzen stößt, wird intensiv an Hochleistungsanoden und -kathoden geforscht. Li-Air− oder Li-O2-Batterien haben aufgrund ihrer extrem hohen theoretischen spezifischen Energiedichte ein großes Potenzial für energiehungrige Anwendungen wie Elektrofahrzeuge.
An der positiven Elektrode verläuft bei typischen aprotischen Li-O2-Batterien der (Ent-)Ladevorgang über die Bildung (Sauerstoffreduktionsreaktion, ORR) und Zersetzung (Sauerstoffentwicklungsreaktion, OER) von Li2O2 gemäß der Reaktion 2Li+ + O2 → Li2O2. Zu den Herausforderungen gehören:
- Reversible Bildung von Li2O2 unter realistischen Zyklusbedingungen
- Verhinderung von Elektrolytzersetzungsreaktionen.
Die ultimative anode ist Li-metall mit die höchste spezifische kapazität für Li (3860 mAh g-1), mehr als zehn mal größer als standard graphit anoden (370 mAh g-1), und die niedrigsten redox potenzial (-3,04 V gegenüber standard wasserstoff). Zu den Herausforderungen gehören:
- Verhinderung von Elektrolytzersetzungsreaktionen und Stabilisierung der Li-Metall-Elektrolyt-Grenzfläche
- Reversible kompakte Li-Metall-Beschichtung verhindert die Bildung von Li-Dendriten.
Derzeit besteht die Herausforderung darin, diese grundlegenden Prozesse besser zu verstehen und durch die Entwicklung stabilerer Elektrolyte und durch eine bessere Kontrolle der reversiblen Li2O2- und Li-Metallbildung und -zersetzung eine lange Lebensdauer zu erreichen.
In der Gruppe Elektrodenspeicherung (SIEHE) werden die grundlegenden Mechanismen in Li-Metall- und Li2O2-Kathoden untersucht und neue Materialien entwickelt, um eine verbesserte Leistung zu erzielen.
