Reaktiver Sauerstoff: Parallelen zwischen Zellalterung in Lebewesen und Batterien

    Blog8. November 2017, 07:00
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    Der hochreaktive Singulett-Sauerstoff stellte nicht nur die belebte Natur vor Herausforderungen, sondern ist auch die Achillesferse zukünftiger Batterien

    Sauerstoff steht im Zentrum der Energiespeicherung und -gewinnung in Lebewesen, und auch Batterieforscher haben erkannt: Mit Sauerstoff als Speichermaterial könnten sie überaus potente Batterien bauen. Sauerstoff besitzt jedoch auch eine schädliche Reaktivität, die Zellen altern lässt. Während die Natur über Jahrmillionen gelernt hat, damit umzugehen, stehen Batterieforscher hier erst am Anfang. Kürzlich erkannte erstaunliche Parallelen in der Sauerstoffchemie können jedoch auch Batteriezellen helfen, langsamer zu altern.

    Sauerstoff existiert in einer Reihe von Formen, die eine reichhaltige Reaktivität ermöglichen. So entfaltet er seine oxidierende Wirkung und nimmt dabei selbst die Formen Superoxid, Peroxid (bekannt aus Wasserstoffperoxid zur Haarbleiche) und Oxid ein (wie etwa in Rost oder Wasser). Darüber hinaus existiert das Sauerstoffmolekül nicht nur in seiner relativ unreaktiven Form wie der, die wir atmen, sondern auch in einer hochreaktiven angeregten Form als sogenannter Singulett-Sauerstoff. Superoxid, Peroxid und ganz besonders Singulett-Sauerstoff sind allgegenwärtig in der belebten Natur und können viele andere Verbindungen angreifen und schädigen.

    Anti-Aging in der Natur

    Wenn Pflanzen Photosynthese betreiben, wird nicht nur Sauerstoff frei, sondern zu einem kleinen Teil auch Singulett-Sauerstoff. Von Pflanzen geht deswegen dennoch keine Gefahr aus, sie leiden nur selbst unter oxidativem Stress. Die Evolution hat gelernt, eigene Schutzschilder in Form von Antioxidantien wie Carotinoiden (Vitamin A) und Tocopherolen (Vitamin E) entgegenzusetzen. Wenn Tiere Energie aus Nahrung und Luftsauerstoff gewinnen, dann erfolgt dies über die Zwischenstufe von Superoxid, das zu einem kleinen Teil auch Singulett-Sauerstoff bilden kann. Auch hier steuert die Natur mit einem Enzym namens Superoxiddismutase entgegen.

    Die Natur hat schon sehr oft technische Fortschritte inspiriert, und so versucht der Mensch schon lange, sich die Chemie des Sauerstoffs zur Energiespeicherung zunutze zu machen. Dies ist zum Beispiel der Fall in Wasserstoffbrennstoffzellen. Aber auch Batterien könnten einen Quantensprung über die Möglichkeiten der Lithium-Ionen-Batterien hinaus erleben, wenn der Sauerstoff gezähmt werden kann. In meiner Forschungsgruppe an der Technischen Universität Graz beschäftige ich mich damit, dies möglich zu machen. Unterstützt vom österreichischen Wissenschaftsfond FWF, der Forschungsförderungsgesellschaft FFG und dem Europäischen Forschungsrat ERC erarbeiten wir wissenschaftliche Grundlagen für mögliche Batterien der Zukunft, die nicht nur mehr Energie speichern sollen, sondern auch mit weniger Energie herzustellen und zu rezyklieren und somit letztlich einfach billiger sind.

    Geeignete Detektionsmethoden

    Sauerstoff kann hier sehr unmittelbar als Speichermaterial in Metall-Luft-Batterien eingesetzt werden, indem Sauerstoff beispielsweise mit Lithium, Natrium, Magnesium oder Zink reagiert und so Energie freisetzt. Zink-Luft-Batterien mit wässrigen Elektrolyten werden zum Beispiel schon für Hörgeräte verwendet, sind aber nicht aufladbar. Mit nichtwässrigen Elektrolyten können aber Lithium- und Natrium-Luft-Batterien wiederaufladbar gemacht werden. Die Energiedichten dieser nächsten Batteriengenerationen liegen wesentlich über jenen der jetzigen Lithium-Ionen-Batterien, die rasche Alterung macht sie aber derzeit noch nicht praktisch einsetzbar.

    Bisher wurde angenommen, dass Superoxid als Zwischenstufe beim Prozess der Energieaufnahme oder Abgabe der alleinige Grund für die Alterung sei. Das Bild war jedoch keineswegs schlüssig; so altert die Zelle am meisten beim Aufladen, während das meiste Superoxid beim Entladen entsteht. Dass Singulett-Sauerstoff involviert sein könnte, wurde zwar gemutmaßt, es hatte aber noch niemand überprüft, ob er in Batterien vorkommt. Nicht zuletzt, weil es keine Methoden gab, ihn dort zu detektieren. Wir entwickelten daher eigens geeignete Detektionsmethoden und konnten so zeigen, dass Singulett-Sauerstoff hauptverantwortlich ist für die Alterung in nichtwässrigen Sauerstoff-Batteriesystemen wie der Lithium-Luft-Batterie und der Natrium-Luft-Batterie, was in den Spitzenjournalen "Nature Energy" und "Angewandte Chemie" veröffentlicht wurde.

    Eine Goldgrube

    Aus Forschersicht sind wir buchstäblich auf eine Goldgrube gestoßen. Es zeigt sich, dass in jeglicher Elektrochemie, in der Sauerstoff in der einen oder anderen Form 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 werden jetzt auch an anderen Fronten angewendet und können so helfen, auch jetzige Lithium-Ionen-Batterien langlebiger zu machen.

    Zusätzlich zur Problemerkennung und Methodenentwicklung konnte auch ein erster Ansatz gezeigt werden, wie sich die Batterie vor der reaktiven Sauerstoffspezies schützen lässt. Es braucht im Wesentlichen eine Kombination der Funktionen des Enzyms Superoxidedismutase und der Vitamine A und E in der Batterie. Wir konnten eine Molekülklasse identifizieren, die diese Funktionen erfüllen kann. Das ist ein erster Ansatz, der aber sicher noch nicht optimal ist. Hinter der großen Tür, die wir aufstoßen konnten, wartet also noch jede Menge Arbeit. (Stefan Freunberger, 8.11.2017)

    Stefan Freunberger ist Elektrochemiker, Materialwissenschafter und Gruppenleiter an der Technischen Universität Graz. Neben einem ERC Starting Grant erhielt er eine Reihe internationaler Auszeichnungen und Preise. Er wurde 2017 zum Mitglied der Jungen Akademie gewählt.

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    • Ein Forscher bei der Arbeit an einer Argon-gefüllten Handschuhbox, in der Batterien gebaut und untersucht werden.
      foto: stefan freunberger

      Ein Forscher bei der Arbeit an einer Argon-gefüllten Handschuhbox, in der Batterien gebaut und untersucht werden.

    • Batterietestzellen auf dem Prüfstand.
      foto: stefan freunberger

      Batterietestzellen auf dem Prüfstand.

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