Forschung und Entwicklung : TU Graz: Forscher verlängert Lebensdauer von Batterien

Singulett-Sauerstoff ist für die Zellalterung bei Lebewesen verantwortlich und entsteht auch während des Entlade- und Ladeprozesses in Lithium-Sauerstoff-Batterien. Stefan Freunberger konnte in den renommierten Journalen „Nature Communications“ und „Angewandte Chemie“ Wege aufzeigen, um die negativen Auswirkungen von Singulett-Sauerstoff bei Lithium-Sauerstoff-Batterien zu minimieren. In Zusammenarbeit mit Forschenden aus Korea und den USA beschreibt Freunberger den Einfluss von Singulett-Sauerstoff auf sogenannte Redox-Mediatoren. Sie sind essentiell für den Elektronenfluss zwischen dem äußeren Stromkreis und dem Ladungsspeichermaterial in Sauerstoff-Batterien und bestimmen deren Leistung.

Das Prinzip der Mediatoren ist der Natur abgeschaut: Sie erfüllen in lebenden Zellen viele Funktionen, wie zum Beispiel die Reizleitung und Energiegewinnung. „Bisher wurde angenommen, dass Redox-Mediatoren durch Superoxide und Peroxide deaktiviert werden. Unsere Untersuchungen zeigen aber, dass Singulett-Sauerstoff dafür verantwortlich ist“, so Freunberger. Mithilfe sogenannter Dichtefunktional-Theorie-Rechnungen konnten die Wissenschaftler erklären, wieso einige Klassen von Mediatoren resistenter gegenüber Singulett-Sauerstoff sind als andere. Darüber hinaus identifizierten sie die wahrscheinlichsten Angriffswege von Singulett-Sauerstoff. Dieses Wissen hilft bei der Entwicklung neuer, stabiler Redox-Mediatoren. „Je stabiler Mediatoren sind, desto effizienter, reversibler und langlebiger sind die Batterien“, erklärt Freunberger.

Neben der Deaktivierung von Redox-Mediatoren ist Singulett-Sauerstoff auch für die parasitären chemischen Reaktionen verantwortlich, die die Lebensdauer und die Ladeleistung von Batterien verringern. TU Graz-Forscher Freunberger suchte daher nach einem idealen Löscher, der den entstandenen Singuelett-Sauerstoff in harmlosen Triplet-Sauerstoff umwandelt, wie er in der Luft vorkommt. Freunberger holte sich Anregungen aus der Biologie: „In der lebenden Zelle verhindert ein Enzym namens Superoxiddismutase die Bildung von Singulett-Sauerstoff. Ich habe dafür DABCOnium – ein bestimmtes Salz der organischen Stickstoff-Verbindung DABCO – in meinen Experimenten verwendet.“ Dabei handelt es sich um ein Elektrolytadditiv, das viel oxidationsstabiler ist, als früher bekannte Löscher und kompatibel mit Lithiummetall an der negativen Elektrode ist. Freunberger konnte damit das Laden von Lithium-Sauerstoff-Zellen erstmals weitgehend nebenreaktionsfrei gestalten. Singulett-Sauerstoff ist jedoch nicht nur in Sauerstoff-Batterien problematisch, sondern auch bei neuesten Entwicklungen von Lithium-Ionen-Batterien, wie der Grazer Wissenschaftler im letzten Jahr zeigen konnte. Löscher sind auch für diese relevant.

In einem nächsten Schritt möchte Freunberger die Ergebnisse zusammenführen und eine neue Mediatoren-Klasse entwickeln. Diese soll nicht nur besonders resistent gegenüber Angriffen von Singulett-Sauerstoff sein, sondern diesen auch selbst löschen und damit effizient bekämpfen können. Das würde die Lebensdauer von Lithium-Sauerstoff-Batterien verlängern und die Energieeffizienz maximieren.