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Seit 2012 arbeitet Stefan Freunberger am Institut für Chemische Technologien von Materialien der TU Graz an der Entwicklung einer neuen Batteriegeneration, die leistungsfähiger, langlebiger und in ihrer Herstellung kostengünstiger ist als derzeitige Modelle. Großes Potenzial sieht Freunberger dabei in Lithium-Sauerstoff-Batterien. Im Zuge seiner Forschungsarbeit entdeckte der Wissenschafter 2017 Parallelen zwischen der Zellalterung in Lebewesen und in Batterien. In beiden Fällen ist hochreaktiver Singulett-Sauerstoff für den Alterungsprozess verantwortlich. Dieser entsteht während des Entlade- und Ladeprozesses in Lithium-Sauerstoff-Batterien und bildete in den letzten Jahren einen Kern in Freunbergers Forschung. In den renommierten Journalen 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 für Energieeffizienz
In Nature Communications beschreibt Freunberger in Zusammenarbeit mit Forschenden aus Korea und den USA den Einfluss von Singulett-Sauerstoff auf sogenannte Redox-Mediatoren, welche reversibel reduziert und oxidiert werden können. Diese Mediatoren sind essentiell 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 wie z.B. Reizleitung und Energiegewinnung erfüllen. „Bisher wurde angenommen, dass Redox-Mediatoren durch Superoxide und Peroxide deaktiviert werden. Unsere Untersuchungen zeigen aber, dass Singulett-Sauerstoff dafür verantwortlich ist“, so Freunberger.
Mithilfe sogenannter Dichtefunktional-Theorie-Rechnungen konnten die Wissenschafterinnen und Wissenschafter erklären, wieso einige Klassen von Mediatoren resistenter gegenüber Singulett-Sauerstoff sind als andere. Außerdem identifizierten sie die wahrscheinlichsten Angriffswege von Singulett-Sauerstoff. Dieses Wissen hilft bei der Entwicklung neuer, stabiler Redox-Mediatoren. „Je stabiler Mediatoren sind, desto effizienter, reversibler und langlebiger sind die Batterien“, erklärt Freunberger.
DABCOnium schützt effektiv vor Singulett-Sauerstoff
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 idealen Löscher, der entstandenen Singulett-Sauerstoff in harmlosen Triplet-Sauerstoff, wie er in der Luft vorkommt umwandelt – und holte sich Anregungen aus der Biologie: „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.“ 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.
Singluett-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.
Kombination aus Mediator und Löscher bildet Idealzustand
In einem nächsten Schritt möchte Freunberger nun die Ergebnisse zusammenführen und eine neue Mediatoren-Klasse entwickeln. Diese soll einerseits besonders resistent sein gegenüber Angriffen von Singulett-Sauerstoff, diesen aber auch selbst löschen können - also ihn effizient bekämpfen. Das würde die Lebensdauer von Lithium-Sauerstoff-Batterien dramatisch verlängern und die Energieeffizienz maximieren.
Dieses Forschungsprojekt ist im Field of Expertise „Advanced Materials Science“ verankert, einem von fünf strategischen Schwerpunktfeldern der TU Graz. Es wird vom österreichischen Wissenschaftsfond FWF, der Forschungsförderungsgesellschaft FFG und dem Europäischen Forschungsrat ERC gefördert. Stefan Freunberger ist Mitglied von NAWI Graz Chemistry.
