Ein Forscher der TU Graz hat eine Möglichkeit gefunden, die Lebensdauer von Lithium-Sauerstoff-Batterien maßgeblich zu erhöhren. 
Stefan Freunberger, Forscher am Institut für Chemische Technologien von Materialien der TU Graz, beschäftigt sich intensiv mit Singulett-Sauerstoff und zählt auf diesem Gebiet zu den weltweit führenden Forschern © Lunghammer – TU Graz
Eines der liebsten Argumente aus der kritischen Ecke gegen E-Autos ist, dass ja die Akkus unserer Gefährte nach einer gewissen Zeit an Leistung verlieren und man sie nicht mehr verwenden kann. Diese „gewisse Zeit“ dauert etwa sieben bis 10 Jahre, aber dennoch ist das Argument nicht so weit hergeholt. Den Tank des Verbrenners muss man schließlich nicht nach einem Jahrzehnt austauschen. 

Eines der zentralen Ziele in der Batterieforschung ist dementsprechend also die Verlängerung der Lebensdauer von Akkumulatoren. Nicht nur in dem Sinne, E-Autos oder Energiespeichern mehr Kapazität auf kleinerem Raum zu geben, sondern auch in dem, diese Kapazität möglichst lang zu erhalten. 

Lithium-Sauerstoff
Der Forscher Stefan Freunberger von der Technischen Universität Graz arbeitet seit 2012 an genau dieser Aufgabe. Eine der Möglichkeiten, wie man günstiger und gleichzeitig effizienter arbeiten könnte als mit bestehenden Lithium-Ionen-Batterien, wären laut ihm Lithium-Sauerstoff-Batterien.

Bei seiner Forschung an diesen ist er über ein Problem gestolpert, das sich auch in Li-Ion-Batterien zeigt. In den Batterien entsteht während dem Lade- und Entladeprozess eine speziell angeregte Variante von Sauerstoff-Molekülen. Dieser hochreaktive Singulett-Sauerstoff ist für den Alterungsprozess in Li-Sauerstoff-Batterien verantwortlich. Konkret beeinflusst der Stoff sogenannte Redox-Mediatoren, die wiederum essentiell für den Elektronfluss zwischen dem äußeren Stromkreis und dem Ladungsspeichermaterial sind. 

Auf die Anklagebank
Freunberger konnte zusammen mit Forschenden aus Korea und den USA nicht nur Singulett-Sauerstoff als eindeutigen Schuldigen für den Alterungsprozess festmachen. Das Team konnte mithilfe von Dichtefunktional-Theorie-Rechnungen auch feststellen, wieso einige Klassen von Mediatoren resistenter ihm gegenüber sind. Mit diesem Wissen, können neue, stabilere Mediatoren entwickelt werden.

Daneben ist Singulett-Sauerstoff auch noch für für die chemischen Reaktionen verantwortlich , die die Lebensdauer und die Ladeleistung von Batterien verringern. Um das zu verhindern suchte Freunberger nach einem Löscher – als einem Stoff, der der einen elektronischen Anregungszustand eines anderen durch einen strahlungslosen Prozess, Löschung genannt, deaktiviert. Und er hat ihn mithilfe der Biologie gefunden. 

Lebensverlängerung
„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“, beschreibt Freunberger. 

Der Vorteil dieses Löschers? Er ist kompatibel mit Lithium und so konnte das Laden einer Lithium-Batterie erstmals ohne Nebenreaktion vonstattengehen. Kombiniert mit den verbesserten Mediatoren könnte Freunbergers Forschung damit die Lebensdauer von Lithium-Sauerstoff-Batterien dramatisch verlängern und die Energieeffizienz maximieren. Und bis diese Forschung es in die Autos von morgen schafft, können wir deren Batterien weiterhin im Second-Life, als gewöhnliche Energiespeicher, nutzen. (flb)

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