Enzymfunktion hemmt Batteriealterung

Stefan Freunberger, ERC Grant-Trägner der TU Graz, beschäftigt sich mit Alterungsprozessen von Batteriesystemen. © Lunghammer - TU Graz

In der Biologie ist schon lange bekannt, dass das angeregte Sauerstoffmolekül Singulett-Sauerstoff, englisch „Singlet Oxygen“, ein Hauptgrund für die Alterung von Zellen ist. 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. Stefan Freunberger von der TU Graz ist nun auf erstaunliche Parallelen zur Sauerstoffchemie in Batteriesystemen gestoßen.

Er 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 Batteriengenerationen liegt wesentlich über jener jetziger Lithium-Ionen Batterien, die rasche Alterung macht sie aber derzeit noch unbrauchbar.

„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.

Enzymfunktion für Batterien

„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.

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.

Zur Originalpublikation:
Singlet Oxygen Generation as a Major Cause for Parasitic Reactions during Cycling of Aprotic Lithium-Oxygen Batteries. Nature Energy. DOI: 10.1038/nenergy.2017.36. Online ab 17 Uhr unter http://dx.doi.org/10.1038/nenergy.2017.36

Die Arbeit ist mit Unterstützung von Kolleginnen und Kollegen mehrerer Institute der TU Graz, des Kompetenzzentrum acib, der Université Montpellier, der University of Southampton und dem französischen Forschungsnetzwerk RS2E entstanden.

Dieses Forschungsprojekt ist im Field of Expertise „Advanced Materials Science“ verankert, einem von fünf strategischen Schwerpunktfeldern der TU Graz.

Kontakt:
Stefan FREUNBERGER
Dipl.-Ing. Dr.sc.ETH
Institut für Chemische Technologie von Materialien
Tel.: +43 316 873 32284
Mobil: +43 680 2040 594
E-Mail: freunberger@tugraz.at

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Mag. Susanne Eigner Technische Universität Graz

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