TU Graz: Batteriealterung durch Enzymfunktion hemmbar

Daß das angeregte Sauerstoffmolekül Singulett-Sauerstoff, englisch „Singlet Oxygen“, ein Hauptgrund für die Alterung von Zellen ist, gilt in der Biologie als schon lange bekannt. Die Natur steuert mit einem Enzym namens „Superoxide Dismutase“ dagegen, welches Superoxid als freies Radikal eliminiert – Superoxid wiederum entsteht bei der Zellatmung zur Energiegewinnung und ist die Vorstufe und damit Quelle von Singulett-Sauerstoff. Dipl.-Ing.Dr. Stefan Freunberger ist bei seinen Forschungen an der TU Graz nun auf erstaunliche Parallelen zur Sauerstoffchemie in Batteriesystemen gestoßen.

Freunberger befasst sich mit den Alterungsprozessen in nicht-wässrigen Batterien wie den Sauerstoffbatterien – also Batteriesystemen, in denen Sauerstoff beispielsweise mit Lithium, Natrium oder Magnesium reagiert und so Energie freisetzt. Die Energiedichte dieser nächsten Batteriegenerationen liegt wesentlich über jener jetziger Lithium-Ionen Batterien, die rasche Alterung macht sie aber derzeit noch unbrauchbar.

Dipl.-Ing. Dr. Stefan Freunberger | Foto: Thomas Pock, TU Graz

„Mir war schon länger klar, Superoxid kann nicht wie bisher angenommen der alleinige Grund für die Alterung sein. Singulett-Sauerstoff ist nicht unbekannt, weil er sehr reaktiv ist. Es hat aber noch niemand überprüft, ob er in Batterien vorkommt. Nicht zuletzt, weil es keine Methoden gab, ihn dort zu detektieren“, schildert Freunberger. Im aktuellen Nature Energy beschreibt Freunberger eigens entwickelte Detektionsmethoden und zeigt, dass Singulett-Sauerstoff tatsächlich hauptverantwortlich für die Alterung in nicht-wässrigen Sauerstoff-Batteriesystemen ist. „Aus Forschungssicht ist das eine buchstäbliche Goldgrube. Es zeigt sich, dass in jeglicher Elektrochemie, in der Sauerstoff involviert ist – und das ist in großen Teilen der Batteriechemie der Fall – Singulett-Sauerstoff von Bedeutung sein kann. Die Methoden zum Nachweis von Singulett-Sauerstoff lassen sich jetzt auch an anderen Fronten anwenden“, sagt Stefan Freunberger.

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Goldgrube für die Forschung

Zusätzlich zur Problemerkennung und Methodenentwicklung liefert die Nature-Publikation auch einen ersten Ansatz, wie sich die Speicherzelle vor der reaktiven Sauerstoffspezies schützen lässt. „Im Wesentlichen braucht es die Funktion des Enzyms Superoxide Dismutase in der Batterie. Wir konnten eine Molekülklasse identifizieren, die diese Funktion erfüllen kann. Jetzt braucht es noch einen passenden Weg, das „Enzym“ in das Batteriesystem einzuschleusen, entweder über den Elektrolyten selbst oder über ein Additiv, das im Elektrolyten gelöst wird. Das ist ein erster Ansatz, der funktioniert, aber sicher noch nicht optimal ist. Hinter der großen Tür, die wir aufstoßen konnten, wartet also jede Menge Arbeit“, sagt Freunberger.

Publikation
Singlet Oxygen Generation as a Major Cause for Parasitic Reactions during Cycling of Aprotic Lithium-Oxygen Batteries.
Nature Energy, 36, 2017.

DOI: 10.1038/nenergy.2017.36

Kontakt

Dipl.-Ing. Dr.sc.ETH Stefan Freunberger

Institut für Chemische Technologie von Materialien

Technische Universität Graz