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Forscher aus Graz haben einen Weg gefunden, Metall-Sauerstoff-Batterien langlebiger zu machen. Auf dem Weg zum leichten, leistungsfähigen und kostengünstigen Akku der Zukunft gelten Metall-Sauerstoff-Batterien als vielversprechend, doch sie haben nur eine kurze Lebenszeit. Jetzt gibt es neue Erfolge auf der Suche nach der Super-Batterie.

Metall-Sauerstoff-Batterien altern zu schnell

Metall-Sauerstoff-Batterien haben eine höhere Energiedichte als Lithium-Ionen-Akkus, die derzeit überall verwendet werden. Auch ihr Gewicht ist geringer. Daher gelten sie als die Superbatterie der Zukunft. Stefan Freunberger vom Institut für Chemische Technologien von Materialien an der TU Graz forscht seit 2012 an den Alterungsprozessen in Sauerstoffbatterien. Gemeinsam mit Kollegen aus Korea und Japan hat Freunberger nun möglicherweise eine Methode gefunden, um diesen Batterietyp langsamer altern zu lassen und seine Ladeleistung konstant zu halten.

Hochreaktiver Singulett-Sauerstoff als Übeltäter

Hauptsächlich verantwortlich für die Alterung von Zellen ist das angeregte Sauerstoffmolekül Singulett-Sauerstoff, englisch „Singlet Oxygen“. Das ist in der Biologie schon lange bekannt. Stefan Freunberger von der TU Graz macht Singulett-Sauerstoff auch mitverantwortlich für die Alterung von nicht-wässrigen Sauerstoffbatterien. Das konnte er vor zwei Jahren auch konkret nachweisen. Der Grund ist, dass dieses energiereiche Sauerstoff-Molekül die Elektrode aus Kohlenstoff angreift.

Jetzt veröffentlichte Freunberger gemeinsam mit seinen japanischen und koreanischen Kollegen in den Journalen Nature Communications und Angewandte Chemie erstmals Wege, um die Auswirkungen von Singulett-Sauerstoff zu minimieren. Er beschreibt darin den Einfluss von Singulett-Sauerstoff auf sogenannte Redox-Mediatoren. Diese sind essentiell für den Elektronenfluss zwischen dem äußeren Stromkreis und dem Ladungsspeichermaterial in Sauerstoff-Batterien. Sie bestimmen damit die Leistung der Batterien maßgeblich.

Singulett-Sauerstoff deaktiviert Redox-Mediatoren

„Bisher wurde angenommen, dass Redox-Mediatoren durch Superoxide und Peroxide deaktiviert werden. Unsere Untersuchungen zeigen aber, dass Singulett-Sauerstoff dafür verantwortlich ist“, fasst Freunberger zusammen. Die Wissenschaftler erkannten auch, dass einige Klassen von Mediatoren resistenter gegen Singulett-Sauerstoff sind als andere. Sie identifizierten zudem die wahrscheinlichsten Angriffswege des Singulett-Sauerstoffs. Diese Erkenntnisse sollen nun helfen, neue und stabilere Redox-Mediatoren zu entwickeln.

Singulett-Sauerstoff ist darüber hinaus auch für parasitäre chemische Reaktionen verantwortlich, die die Lebensdauer und die Ladeleistung der Batterie mindern. Die Forscher suchten deshalb einen sogenannten Löscher, um den Singulett-Sauerstoff in harmlosen Triplet-Sauerstoff umzuwandeln, wie er auch in der Luft vorkommt. Fündig wurden sie in der Natur: „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.“ Dieses Elektrolytadditiv ist viel oxidationsstabiler als bekannte Löscher und ist kompatibel mit dem Lithiummetall an der negativen Elektrode. Damit gelang es Freunberger, in seinen Experimenten Lithium-Sauerstoff-Zellen erstmals weitgehend nebenreaktionsfrei zu laden.

Die Erkenntnisse sind auch für Lithium-Ionen-Batterien relevant

Singulett-Sauerstoff wirkt sich aber nicht nur in Metall-Sauerstoff-Batterien negativ aus, sondern auch bei neuesten Entwicklungen von Lithium-Ionen-Batterien. Daher sind Freunbergers Erkenntnisse auch für dieses Forschungsgebiet relevant. Im nächsten Schritt will der Forscher die Erkenntnisse zusammenführen und eine neue Mediatoren-Klasse entwickeln. Diese neuen Mediatoren sollen besonders widerstandsfähig gegenüber Singulett-Sauerstoff sein und diesen zusätzlich selbst löschen können. Gelingt dies, könnte sich die Lebensdauer von Lithium-Sauerstoff-Batterien stark verbessern.

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Quellen / Weiterlesen

Batterieforschung an der TU Graz: Neue Forschungserfolge auf dem Weg zur Super-Batterie | TU Graz
Erfolge auf dem Weg zur Superbatterie | elektroniknet.de
Grazer Forscher auf dem Weg zur Superbatterie | Der Standard
Neue Forschungserfolge auf dem Weg zur Super-Batterie | Chemie.de
Forscher finden Mittel gegen Alterungsprozess bei Akkus | Der Standard
Bildquelle: © TU Graz

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