Metall-Luft-Batterie: Kontrolle über „bösen“ Sauerstoff verlängert Lebensdauer
Metall-Luft-Batterien bieten theoretisch sehr hohe Energiedichten, der deutlich über denen herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien liegt. Ein entscheidendes Problem ist der Singulett-Sauerstoff, der während des Ladeprozesses entsteht und die Batterie abbaut. Ein Team unter Professor Stefan Freunberger und dem kürzlich promovierten Soumyadip Mondal am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) aus Österreich hat nun Methoden entwickelt, diesen reaktiven Sauerstoff zu steuern.
Singulett-Sauerstoff verstehen
Sauerstoff kann als stabiler Triplett-Sauerstoff oder als reaktiver Singulett-Sauerstoff auftreten. Triplett-Sauerstoff ist relativ stabil und reagiert nur unter bestimmten Bedingungen. Singulett-Sauerstoff hingegen ist viel reaktiver, da seine Elektronenpaare entgegengesetzten Spin haben und somit ein Elektronenorbital leer bleibt. Diese Instabilität macht ihn zu einem „gierigen“ Molekül, das in der Lage ist, Elektronen von anderen Molekülen zu „stehlen“. In Batterien kann diese Reaktivität die Materialien angreifen und so die Lebensdauer erheblich verkürzen. Bislang war die Kontrolle über die Entstehung von Singulett-Sauerstoff schwierig, da die genauen Reaktionsbedingungen schwer vorhersehbar waren.
Biologische Inspiration
Die Forscher orientierten sich zur Lösung dieses Problems an Mitochondrien, in denen ein basischer pH-Wert die Bildung von Singulett-Sauerstoff verhindert. Durch die gezielte Wahl von Kationen, Elektrolyten und Materialien kann die Bildung des schädlichen Sauerstoffs auch in Batterien minimiert werden.
Technische Umsetzung
Im Labor demonstrierten die Wissenschaftler die Superoxid-Disproportionierung: Zwei Superoxid-Moleküle reagieren, eines wird zu Peroxid reduziert, das andere zu Sauerstoff oxidiert. Unter kontrollierten Bedingungen dominiert der stabile Triplett-Sauerstoff, während der Singulett-Sauerstoff unterdrückt wird. So konnte im Versuch die Lebensdauer der Metall-Luft-Batterie erheblich verlängert werden.
Perspektiven
Die Forschung hat gezeigt, dass die präzise Steuerung von Sauerstoffreaktionen in Metall-Luft-Batterien nicht nur deren Lebensdauer verlängern, sondern auch die Effizienz steigern kann. Durch die Nutzung biologischer Prinzipien zur Kontrolle von Singulett-Sauerstoff können diese Batterien stabiler und leistungsfähiger gemacht werden. Diese Entdeckung hat das Potenzial, die Technologie nicht nur in der Energie Speicherung, sondern auch in anderen Bereichen wie der Wasserstoffproduktion und grüner Energiegewinnung nachhaltig zu optimieren.
