GRAZ. Der Akku ist Schwachpunkt und Bremsklotz der E-Mobilität. Für den breiten Einsatz bei Elektroautos müssen sie leichter, günstiger, leistungsfähiger und langlebiger werden. Forscher weltweit arbeiten daher an der Optimierung von Batterien – darunter auch Stefan Freunberger vom Institut für Chemische Technologien von Materialien an der TU Graz, der sich seit 2012 mit den Alterungsprozessen in Sauerstoffbatterien befasst. Sie gelten als vielversprechende Technologie für den Einsatz von Elektroautos: Ihre theoretische Energiedichte ist höher als bei gängigen Lithium-Ionen-Akkus und sie sind auch leichter – allerdings haben sie nur eine sehr kurze Lebenszeit.
In der Biologie ist schon lange bekannt, dass das angeregte Sauerstoffmolekül Singulett-Sauerstoff, englisch „Singlet Oxygen“, ein Hauptgrund für die Alterung von Zellen ist. Diesem hochreaktivem Sauerstoff schreibt Freunberger auch eine Rolle beim Alterungsprozess in nicht-wässrigen Sauerstoffbatterien zu. Vor zwei Jahren hat er mit einer eigens entwickelten Detektionsmethode nachweisen können, dass Singulett-Sauerstoff tatsächlich hauptverantwortlich für die Alterung in diesen Batteriesystemen ist. Diese sehr energiereiche Form des Sauerstoffs, die beim Entladen des Akkus frei wird, greift die Kohlenstoff-Elektrode an.
In seiner jüngsten Publikation gemeinsam mit koreanischen und US-amerikanischen Kollegen beschrieb Freunberger im Fachmagazin „Nature Communications“ die Auswirkung des Singulett-Sauerstoff auf sogenannte Redox-Mediatoren in der Batterie. Diese steuern grundlegend den Elektronenfluss zwischen dem äußeren Stromkreis und dem Ladungsspeichermaterial in den Sauerstoff-Batterien und bestimmen damit deren Leistung maßgeblich. „Bisher wurde angenommen, dass Redox-Mediatoren durch Superoxide und Peroxide deaktiviert werden. Unsere Untersuchungen zeigen aber, dass Singulett-Sauerstoff dafür verantwortlich ist“, fasste der Grazer Forscher zusammen. Die Wissenschafter erkannten auch bereits, dass einige Klassen von Mediatoren resistenter sind als andere und identifizierten die wahrscheinlichsten Angriffswege des hochreaktiven Moleküls.
Singlet Oxygen ist aber auch verantwortlich für chemische Reaktionen in der Batterie, die die Lebensdauer und Ladeleistung verringern. Auch hier ist Freunberger in der Natur fündig geworden: „In der lebenden Zelle verhindert ein Enzym namens Superoxiddismutase die Bindung des Singulett-Sauerstoff. Ich habe dafür DABCOnium - ein bestimmtes Salz der organischen Stickstoffverbindung DABCO - in meinen Experimenten verwendet.“ Die ionische Flüssigkeit sei viel oxidationsstabiler als zuvor bekannte „Löscher“, die den angeregten Sauerstoff in harmlosen Triplet-Sauerstoff umwandeln. In den Experimenten sei das Laden von Lithium-Sauerstoffzellen erstmals weitgehend frei von Nebenreaktionen gelungen. Die Ergebnisse publizierten die Forscher jüngst im Fachjournal „Angewandte Chemie“.
Wie sich in weiteren Projekten Freunbergers zeigte, wirkt sich Singulett-Sauerstoff auch bei neuesten Entwicklungen von Lithium-Ionen-Batterien negativ aus. Entsprechende „Löscher“ wären daher auch in diesem Bereich interessant. Als nächsten Schritt will Freunberger die Ergebnisse zusammenführen und auch eine neue Mediatoren-Klasse entwickeln, die den Singulett-Sauerstoff gleich selbst löschen kann. (jz)
