TU Graz / Lithium-Sauerstoff-Batterie Erfolge auf dem Weg zur Superbatterie

Stefan Freunberger, Forscher am Institut für Chemische Technologien von Materialien der TU Graz, beschäftigt sich intensiv mit Singulett-Sauerstoff.
Stefan Freunberger, Forscher am Institut für Chemische Technologien von Materialien der TU Graz, beschäftigt sich intensiv mit Singulett-Sauerstoff.

Die Zellalterung in Lebewesen als auch in Batterien haben die gleiche Ursache – hochreaktiver Singulett-Sauerstoff. Dies entdeckte Stefan Freunberger von der TU Graz im Jahr 2017. Nun hat er einen Weg gefunden, dessen negative Auswirkungen in Lithium-Sauerstoff-Batterien zu minimieren.

Seit 2012 arbeitet Stefan Freunberger am Institut für Chemische Technologien von Materialien der TU Graz an neuen Batterietechnologien. Im Zuge seiner Forschungsarbeit an Lithium-Sauerstoff-Batterien entdeckte er 2017 Parallelen zwischen der Zellalterung in Lebewesen und in Batterien. In beiden Fällen ist hochreaktiver Singulett-Sauerstoff dafür verantwortlich. Dieser entsteht während des Entlade- und Ladeprozesses in Lithium-Sauerstoff-Batterien. In den renommierten Fachjournalen Nature Communications und Angewandte Chemie zeigt der Grazer Forscher erstmals Wege, um die negativen Auswirkungen von Singulett-Sauerstoff zu minimieren.

Stabile Redox-Mediatoren als Schlüssel

In Nature Communications beschreibt Freunberger in Zusammenarbeit mit Forschenden aus Korea und den USA, wie Singulett-Sauerstoff die sogenannten Redox-Mediatoren, die reversibel reduziert und oxidiert werden können, beeinflusst. Diese Mediatoren sind essenziell für den Elektronenfluss zwischen dem äußeren Stromkreis und dem Ladungsspeichermaterial in Sauerstoff-Batterien und bestimmen maßgeblich deren Leistung. Auch das Prinzip der Mediatoren ist der Natur abgeschaut, wo sie in lebenden Zellen mannigfaltige Funktionen erfüllen, beispielsweise die Reizleitung und die Energiegewinnung.

»Bisher nahm man an, dass Superoxide und Peroxide die Redox-Mediatoren deaktivieren. Unsere Untersuchungen zeigen aber, dass in Wirklichkeit 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. Außerdem identifizierten sie dessen wahrscheinlichste Angriffswege. Dieses Wissen hilft bei der Entwicklung neuer, stabiler Redox-Mediatoren. »Je stabiler Mediatoren sind, desto effizienter, reversibler und langlebiger sind die Batterien«, erklärt Freunberger.

Singulett-Sauerstoff »löschen«

Neben der Deaktivierung von Redox-Mediatoren ist Singulett-Sauerstoff auch verantwortlich für jene parasitären chemischen Reaktionen, die die Lebensdauer und die Ladeleistung von Batterien verringern. Freunberger suchte daher nach einem Löscher, der entstandenen Singulett-Sauerstoff (1O2) in harmlosen Triplet-Sauerstoff (3O2), wie er in der Luft vorkommt, umwandelt.

Dazu holte er sich Anregungen aus der Biologie: »In der lebenden Zelle verhindert ein Enzym namens Superoxiddismutase, dass sich Singulett-Sauerstoff bildet. 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 – ohne parasitäre Reaktionen – gestalten.

Singulett-Sauerstoff ist jedoch nicht nur in Sauerstoff-Batterien problematisch, sondern auch bei neuesten Entwicklungen von Lithium-Ionen-Batterien, wie Freunberger im letzten Jahr zeigen konnte. Löscher sind daher auch für diese relevant. Details zu diesem Singulett-Sauerstofflöscher hat Freunberger im Journal Angewandte Chemie publiziert.

Im nächsten Schritt möchte Freunberger nun die Ergebnisse zusammenführen und eine neue Klasse von Mediatoren entwickeln. Diese soll einerseits besonders resistent sein gegenüber Angriffen von Singulett-Sauerstoff, diesen aber auch selbst löschen können ­– ihn also effizient bekämpfen. Das würde die Lebensdauer von Lithium-Sauerstoff-Batterien dramatisch verlängern und die Energieeffizienz maximieren.

Originalpublikationen

Yann K. Petit, et al.: DABCOnium: Ein effizienter und Hochspannungs‐stabiler Singulett‐Sauerstoff‐Löscher für Metall‐O2‐Zellen, Angewandte Chemie, DOI: 10.1002/ange.201901869

Won-Jin Kwak, et. al.: Deactivation of redox mediators in lithium-oxygen batteries by singlet oxygen, Nature Communications, volume 10, Article number: 1380 (2019) DOI: 10.1038/s41467-019-09399-0