q&more
Meine Merkliste
my.chemie.de  
Login  

News

Neue Forschungserfolge auf dem Weg zur Super-Batterie

Erstmals Mittel zur Unterdrückung von Singulett-Sauerstoff in Lithium-Sauerstoff-Batterien entdeckt

© Freunberger – TU Graz

Die Bildung von Singulett-Sauerstoff (1O2) beeinträchtigt die Zyklenstabilität vieler Alkalimetallkathoden wie z.B. der Li-O2-Kathode. Im Journal Angewandte Chemie stellt Freunberger einen effizienten und Hochspannungsstabilen 1O2-Löscher vor. Er zeigt, dass der Löscher 1O2-bedingte Nebenreaktionen massiv verringert. Hochspannungsstabile Löscher sind relevant, um die 1O2-bedingte Grenzflächenreaktivität und Langzeitstabilität vieler Kathoden zu kontrollieren.

26.04.2019: 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 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 Forschern 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 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.

Originalveröffentlichung:
"DABCOnium: An Efficient and High‐Voltage Stable Singlet Oxygen Quencher for Metal–O2 Cells"; Angewandte Chemie; 2019.
"Deactivation of redox mediators in lithium-oxygen batteries by singlet oxygen"; Nature Communications; Volume 10, Article number: 1380 (2019).

Fakten, Hintergründe, Dossiers

  • Batterien
  • Lithium-Sauerstoff-…
  • Singulett-Sauerstoff
  • Energieeffizienz
  • Dichtefunktionaltheorie

Mehr über TU Graz

  • News

    Nano-Komposition: Neues Syntheseverfahren für Katalysator-Materialien

    Forscher der TU Graz beschreiben in Chemical Science jene Effekte, die bei der Verdampfung von Vanadium-Verbindungen auftreten. Daraus werden sich Verbesserungen für Katalysatoren zur Reduktion von Stickoxiden ableiten lassen. Seit 2011 beschäftigen sich Forscher am Institut für Experimenta ... mehr

    Meilenstein in der Biokatalyse-Forschung

    TU Graz-Forschenden gelang es erstmals ein Enzym so „umzuschulen“, dass es statt seiner natürlichen Aufgabe Doppelbindungen zu reduzieren, nun ringförmige Molekülgerüste aufbaut. Die Arbeit mit Relevanz für die Produktion von Medikamenten oder Pflanzenschutzmitteln wurde in Angewandte Chemi ... mehr

    Gedruckte Tattoo-Elektroden für die Langzeitdiagnostik

    Elektroden für das Langzeitmonitoring elektrischer Herz- oder Muskelimpulse in Form von temporären Tattoos, hergestellt mit einem Tintenstrahldrucker: Eine internationale Forschungsgruppe unter Beteiligung der TU Graz stellt diese neuartige Methode vor. Bei Diagnoseverfahren wie dem Elektr ... mehr

q&more – die Networking-Plattform für exzellente Qualität in Labor und Prozess

q&more verfolgt den Anspruch, aktuelle Forschung und innovative Lösungen sichtbar zu machen und den Wissensaustausch zu unterstützen. Im Fokus des breiten Themenspektrums stehen höchste Qualitätsansprüche in einem hochinnovativen Branchenumfeld. Als moderne Wissensplattform bietet q&more den Akteuren im Markt einzigartige Networking-Möglichkeiten. International renommierte Autoren repräsentieren den aktuellen Wissenstand. Die Originalbeiträge werden attraktiv in einem anspruchsvollen Umfeld präsentiert und deutsch und englisch publiziert. Die Inhalte zeigen neue Konzepte und unkonventionelle Lösungsansätze auf.

> mehr zu q&more

q&more wird unterstützt von:

 

Ihr Bowser ist nicht aktuell. Microsoft Internet Explorer 6.0 unterstützt einige Funktionen auf Chemie.DE nicht.