Wissenschaftlicher Durchbruch bei Luft-Akkus in Österreich gelungen

Sauerstoff gilt in der Biologie als wichtiger Energielieferant. Die Mitochondrien - die Kraftwerke unserer Zellen - könnten ohne ihn nicht arbeiten. Aber auch unter Batterieforschern ist bekannt, dass sich mit Sauerstoff als Energieträger äußerst potente Akkus bauen lassen.

Sogenannte Metall-Luft-Batterien haben etwa sehr hohe Energiedichten. Lithium-Luft-Batterien können zum Beispiel zumindest theoretisch mehr als 1.000 Wattstunden/Kilogramm speichern. Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien liegen bei einem Drittel davon.

In einer Metall-Luft-Batterie reagiert das Metall bei der Entladung mit dem Sauerstoff in der Umgebungsluft, wodurch Energie freigesetzt wird. Bei der Ladung dieser Batterieart muss der Sauerstoff wieder abgespaltet werden, was einige Probleme bereitet.

➤ Mehr lesen: Neue Zink-Luft-Batterie erzielt Rekordwerte

 Sauerstoff ist nicht gleich Sauerstoff

Denn Sauerstoff ist nicht gleich Sauerstoff. Aus dem Chemieunterricht kennt man vielleicht noch die Oxide (etwa Kohlendioxid und auch Wasser) und die deutlich reaktionsfreudigeren Peroxide (etwa Wasserstoffperoxid in Bleiche). Unbekannter sind die Begriffe "Triplett-Sauerstoff" und "Singulett-Sauerstoff". 

Triplett-Sauerstoff ist das normale Sauerstoffmolekül (O₂), wie man es vielleicht bereits kennt. Er verfügt über 2 ungebundene Elektronenpaare in verschiedenen Orbitalen seiner Schale, die beide denselben Spin haben. Das hat eine Reihe von Folgen: Triplett-Sauerstoff ist deswegen paramagnetisch, lässt sich also durch Magnetfelder ablenken. Er ist deshalb aber auch relativ reaktionsträge.

Der "böse" Sauerstoff

Anders sieht es mit Singulett-Sauerstoff aus. Dieser kann entstehen, wenn Sauerstoff durch eine chemische Reaktion oder bei Lichteinfall Energie aufnimmt. Die Elektronen sind hier gepaart, haben einen genau entgegengesetzten Spin, und zusätzlich noch im selben Schalenorbital. 

Die Folge: Der Singulett-Sauerstoff ist zwar nicht mehr magnetisch, aber äußerst reaktionsfreudig. Da ein Orbital frei bleibt, versucht Singulett-Sauerstoff ständig anderen Atomen oder Molekülen ein Elektron zu entreißen, um es zu füllen. Singulett-Sauerstoff entsteht in Metall-Luft-Batterien hauptsächlich während des Ladevorgangs und verkürzt die Lebensdauer des Akkus enorm.

Die Reaktionsfreudigkeit von Singulett-Sauerstoff ist nicht nur in einer Batterie unerwünscht. Auch in biologischen Zellen kommt es dadurch zum sogenannten oxidativen Stress, denn der Singulett-Sauerstoff verursacht Zellschäden. Forscher des Institute of Science and Technology Austria (ISTA) haben nun aber einen Weg gefunden, diesen "bösen Sauerstoff" zu zähmen.

➤ Mehr lesen: China entwickelt bahnbrechende Lithium-Luft-Batterie

Biologie gibt die Strategie vor

Die Gruppe rund um Professor Stefan Freunberger und den kürzlich promovierten ISTA-Absolventen Soumyadip Mondal haben herausgefunden, dass die chemische Umgebung die Bildung von solchen schädlichen Sauerstoffmolekülen beeinflusst. Der pH-Wert in Mitochondrien liegt etwa bei basischen 8,0, damit bei den dortigen chemischen Prozessen kein Singulett-Sauerstoff entsteht.

"Biologische Systeme wissen, wie sie sich gegen Singulett-Sauerstoff schützen können. Ob wir nun grundlegende Chemie betreiben oder Batterien entwickeln, wir müssen uns von der Biologie inspirieren lassen", sagt Mondal in einer Aussendung. Durch die richtige Batteriechemie und Verwendung bestimmter Materialien können auch in Akkus Singulett-Sauerstoffmoleküle vermieden oder ausgelöscht werden.

Vorteile für Wasserstoffelektrolyse möglich

Die Erkenntnis aus Österreich lässt sich aber auch in anderen Forschungsfeldern anwenden. Die Spaltung von Wasser (Elektrolyse) in Wasserstoff und Sauerstoff ist nach wie vor ineffizient und verbraucht deutlich mehr elektrische Energie, als der erzeugte Wasserstoff wert ist. "Wie sich die Bildung von Singulett-Sauerstoff auf die Effizienz der Wasserspaltung auswirkt, muss noch untersucht werden", sagt Freunberger. Doch auch bei der Elektrolyse will man Singulett-Sauerstoff möglichst vermeiden, da dadurch das Material beschädigt und Energie verloren geht.