de.wedoany.com-Bericht: Ein Forschungsteam der japanischen Shibaura Institute of Technology (SIT) hat einen kostengünstigen Katalysator ohne Platin entwickelt und damit ein zentrales Hindernis für die praktische Anwendung von Lithium-Sauerstoff-Batterien (LOBs) mit hoher Energiedichte beseitigt. Die Energiedichte von Lithium-Sauerstoff-Batterien kann bis zu zehnmal höher sein als die herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien und könnte theoretisch Langstrecken-Elektrofahrzeuge und stundenlange Drohnenflüge ermöglichen. Die langsamen Sauerstoffreaktionen während des Lade- und Entladevorgangs haben jedoch die Kommerzialisierung lange behindert. Edelmetalle wie Platin und Ruthenium können die Reaktion zwar beschleunigen, sind aber aufgrund ihrer hohen Kosten für eine großflächige Anwendung ungeeignet.

Das Forschungsteam unter der Leitung von Professor Takahiro Ishizaki hat einen Heterostruktur-Katalysator ohne Edelmetalle entwickelt, der Perowskit-Oxid und Spinell-Oxid zu einem Verbundmaterial kombiniert. Beide Oxide weisen bereits einzeln eine gute katalytische Aktivität auf, doch in Kombination entsteht ein deutlicher Synergieeffekt, der sowohl die Sauerstoffreduktionsreaktion als auch die Sauerstoffentwicklungsreaktion beschleunigt. Das Verbundmaterial zeigt während des Lade- und Entladevorgangs eine Spannungsdifferenz von nur 1,14 Volt, was einen geringeren Energieverlust bedeutet. In Batterieleistungstests übertraf das Verbundmaterial die beiden einzelnen Oxidmaterialien, mit einer Ladeleistung, die über kommerziellem Rutheniumoxid liegt, und einer Entladeleistung, die mit Platin vergleichbar ist.

Bemerkenswert ist, dass physikalische Leistungstests zeigten, dass das Verbundmaterial die geringste gesamte elektrochemische Oberfläche aller getesteten Proben aufweist. Normalerweise wird angenommen, dass eine größere Oberfläche mehr Reaktionsstellen bietet und die Leistung verbessert, doch das Team stellte fest, dass die Katalysegeschwindigkeit stärker von der Qualität der elektronischen Struktur abhängt. Die Kombination der beiden Oxide an der molekularen Grenzfläche erzeugt zahlreiche Sauerstoffleerstellen, die einen reibungslosen Elektronenpfad bilden und schnelle Sauerstoffreaktionen ermöglichen.

Takahiro Ishizaki erklärte, dass die direkteste Anwendung dieser Entwicklung die Herstellung hocheffizienter Luftkathoden für die nächste Generation von Lithium-Sauerstoff-Batterien sei. Diese Batterien könnten Elektrofahrzeuge mit großer Reichweite und Drohnen mit verlängerter Flugzeit antreiben, deren Energiekapazitätsanforderungen die Fähigkeiten der aktuellen Lithium-Ionen-Technologie übersteigen. Städtische Luftmobilität bleibt zwar eine langfristige Vision, doch diese Arbeit ist ein entscheidender Schritt zur Erschließung des Potenzials von Lithium-Sauerstoff-Batterien. Dieses kosteneffiziente Katalysatordesign bietet zudem eine preiswerte und nachhaltige Lösung für die grüne Wasserstoffproduktion, großflächige Metall-Luft-Batterien sowie die Energiespeicherung in Solar- und Windkraftnetzen.