Forscher fanden Ursache für Alterung von Metall-Sauerstoff-Batterien

26. März 2017, 16:46
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Beim Entladen des Akkus entsteht Singulett-Sauerstoff, der schädigend auf Elektrolyt und Kathode wirkt

Graz – Metall-Sauerstoff-Batterien gelten als vielversprechende Technologie für den Einsatz von Elektroautos: Ihre theoretische Energiedichte ist höher als bei gängigen Lithium-Ionen-Akkus und sie sind auch leichter. Allerdings haben sie nur eine sehr kurze Lebenszeit. Grazer Forscher schreiben dem reaktiven Singulett-Sauerstoff die Ursache für die Alterung zu – und bieten nun eine erste Lösung an.

Stefan Freunberger befasst sich am Institut für Chemische Technologie der TU Graz mit den Alterungsprozessen in Sauerstoffbatterien. In solchen Akkus wird die elektrische Energie durch die Reaktion von Metallen mit Sauerstoff freigesetzt, wie Freunberger schilderte. Hohe Energiedichte und hoher Wirkungsgrad sind Vorteile von Lithium-Luft-Batterien: Sie könnten potenziell zehnmal mehr Energie als Lithium-Ionen-Batterien speichern und gelten daher als aussichtsreiche Nachfolgegeneration. Ihr großes Manko ist jedoch die rasche Alterung und Nebenreaktionen, die eine mangelhafte Stabilität verursachen.

Sauerstoff als Reaktionspartner

Im Gegensatz zu den herkömmlichen Festkörperbatterien-Designs, verwenden Metall-Sauerstoff-Batterien Sauerstoff aus der Umgebung als Reaktionspartner. Lithium-Luft-Batterien bestehen zum Beispiel aus einer leitfähigen Elektrolytlösung und zwei Elektroden: Einer Anode aus Lithium und einer sauerstoffdurchlässigen Kathode aus einer porösen Kohlenstoffstruktur. Beim Entladen verbinden sich die Lithium-Ionen der Anode über die organische Flüssigkeit mit Sauerstoff – und über eine Zwischenstufe von Superoxid – zu Lithiumperoxid. Dieses setzt sich in fester Form an der Kathode ab. Im Zuge der Reaktion werden Elektronen freigesetzt, die als elektrische Energie z. B. zum Betreiben eines Elektroautos genutzt werden können. Beim Laden bricht das Lithiumperoxid über eine Zwischenstufe in Sauerstoff und Lithium auf.

In der jüngsten Ausgabe von "Nature Energy" hat der Grazer Forscher gemeinsam mit Kollegen der Universitäten Amiens, Montpellier und Southampton dargelegt, warum Lithium-Luft-Akkus nach kurzer Zeit einen bedeutenden Teil ihrer Leistung verlieren. Demnach ist sogenannter Singulett-Sauerstoff (Singlet Oxygen) dafür verantwortlich. Diese sehr energiereiche Form des Sauerstoffs, die beim Entladen der Akkus frei wird, greift die Kohlenstoff-Elektrode in Sauerstoff-Batteriesystemen an. Vor allem erzeuge Singulett-Sauerstoff wiederum Nebenprodukte, "die den weiteren Elektronen- und Ionenfluss erschweren", wie der Grazer Forscher erklärte.

Schwer nachweisbare Sauerstoffform

Bisher wurde vor allem die Wirkung von Superoxid im Zuge der Entladung als Ursache für rasche Batteriealterung angenommen. "Mir war schon länger klar, dass Superoxid nicht der alleinige Grund sein kann", schilderte Freunberger seinen Ausgangspunkt. Er verfolgte eine andere Überlegung: "Singulett-Sauerstoff ist nicht unbekannt, weil er sehr reaktiv ist". Allerdings sei bisher noch nicht überprüft worden, ob er auch in Batterien vorkommt. "Nicht zuletzt, weil es keine Methoden gab, um ihn dort zu detektieren", wie der Grazer Forscher ausführte. Die hohe Reaktionsfreude mache es schwer, diese angeregte, sehr kurzlebige Form des Sauerstoffs nachzuweisen.

Den Forschern ist dies durch eine Kombination mehrerer Methoden, bei denen Fluoreszenzverhalten als auch die Lichtemissionen eine Rolle spielen, gelungen. In der aktuellen Publikation von "Nature Energy" beschrieben sie die eigens entwickelte Detektionsmethode und belegen, dass "Singlet Oxygen" hauptverantwortlich für die Alterung des Batteriesystems ist.

Zyklische Amine als Gegenmittel

Weiters legten das Team einen ersten Ansatz dafür vor, wie sich die der Singulett-Sauerstoff unschädlich machen lässt: In der Biologie sei schon lange bekannt, dass "Singlet Oxygen" ein Hauptgrund für die Alterung von Zellen ist. Die Natur bewirke die Superoxid-Dismutase (SOD) eine entsprechende Neutralisierung. "Wir haben eine Molekülklasse identifiziert, die das erfüllen kann", so Freunberger. Nun mache man sich Gedanken, wie man diese – es handelt sich um zyklische Amine – in das Batteriesystem einschleusen kann. "Hinter der Tür, die wir aufgestoßen haben, wartet noch einen Menge Arbeit", schloss Freunberger. (APA, 26.3.2017)

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