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.
