Das Stromwunder für Elektroautos
Grazer Forscher arbeiten an einer langlebigen „Superbatterie“für E-Fahrzeuge, die mit Luft funktioniert. Das Prinzip haben sie sich von der Natur abgeschaut.
Der Akku ist der Bremsklotz der E-Mobilität: Geringe Reichweiten und die ökologisch nicht besonders nachhaltige Produktion der Batterien lassen Elektroautos nicht so recht in die Gänge kommen. Forscher der Technischen Universität Graz unter Leitung des Materialwissenschaftlers Stefan Freunberger steuern dagegen: Sie arbeiten an der „Superbatterie“.
Diese ist nicht größer als ein derzeit üblicher Lithium-IonenAkku, verspricht aber laut Freunberger viel größere Reichweiten, ist langlebiger und weist bei Herstellung sowie Recycling eine wesentlich bessere Ökobilanz auf. Der Grund für die Umweltfreundlichkeit: Die „Superbatterie“arbeitet mit Luft anstelle von Metalllegierungen.
Dass der in der Luft enthaltene Sauerstoff prinzipiell in der Lage ist, durch die chemische Reaktion mit Lithium oder anderen Metallen elektrische Energie freizuset
zen und damit die üblicherweise in wiederaufladbaren Batterien verwendeten Elemente Kobalt, Mangan oder Nickel zu ersetzen, ist schon seit etwa der Jahrtausendwende bekannt. Aufgrund der hohen Energiedichte, also der Möglichkeit, in einer kleinen Batterie viel Strom zu speichern, gelten solche Lithium-Sauerstoff-Akkus als vielversprechende Technologie überall dort, wo man wiederaufladbare Energiespeicher mit großer Kapazität benötigt – zum Beispiel in Elektrofahrzeugen. Wissenschaftler in aller Welt arbeiten daher an Weiterentwicklungen.
Allerdings: Die rasche Alterung verhindert die praktische Einsatzbarkeit dieses Hoffnungsträgers. Nach maximal rund 2000 Ladezyklen ist Schluss. Die Lebensdauer dieser neuen Batteriegeneration zu verlängern, war daher das Ziel der Grazer Forscher. Und sie machten dabei eine wichtige Entdeckung: „Wir kamen darauf, dass der sogenannte Singulett-Sauerstoff für das Altern verantwortlich ist“, erklärt Freunberger. „Er entsteht beim Entladen des Akkus, ist extrem reaktionsfreudig und greift die Elektroden an.“
In der Biologie kennt man diesen Effekt: Singulett-Sauerstoff ist nämlich auch die Ursache für das Altern von Zellen oder für die Färbung der Blätter im Herbst, da er – ein Nebenprodukt der Fotosynthese – den Blattfarbstoff Chlorophyll vernichtet. Diese Parallelen gaben den Grazer Forschern den entmit ausschließlich elektrischem Antrieb waren in Österreich Ende März 2019 unterwegs (insgesamt sind 6,9 Millionen Pkw zugelassen).
weit kommen durchschnittliche E-Fahrzeuge mit einer Akku-Ladung, Topmodelle schaffen das Doppelte. Eine Lithium-Ionen-Batterie sollte für mindestens 200.000 Kilometer reichen, ehe sie ausgetauscht werden muss. scheidenden Tipp, wie man dem frühen Akku-Tod mit einer AntiAging-Kur begegnen kann.
Denn Tiere und Pflanzen haben im Lauf der Evolution einen Schutz gegen die zerstörerische Kraft des Singulett-Sauerstoffs entwickelt. Pflanzen setzen vor allem Beta-Carotin als „Entgifter“ein, Tiere verwenden ein Enzym namens Superoxiddismutase. Freunberger und sein Team fanden heraus, dass in ähnlicher Weise bestimmte organische Stickstoffverbindungen (Amine) im Akku als Entgifter wirken. Sie beschleunigen die normalerweise sehr langsame Umwandlung des gefährlichen Singulett-Sauerstoffs in harmlosen Triplett-Sauerstoff.
So werde die Gefahr gebannt, noch ehe Schaden an den Elektroden entsteht, und die Lebensdauer des Akkus verlängere sich drastisch, wie Freunberger im renommierten Fachmagazin Angewandte Chemie aufzeigt. Mit Lithium-SauerstoffAkkus lassen sich nun zumindest ebenso rund 3000 Ladezyklen erreichen wie bei Lithium-IonenBatterien, und das bei wesentlich mehr Speicherkapazität.
Das Problem der geringen Reichweite bei Elektrofahrzeugen sei somit zum Teil gelöst, heißt es. Den Grazer Experten, deren Forschungen vom Wissenschaftsfonds FWF, von der Forschungsförderungsgesellschaft FFG und vom Europäischen Forschungsrat ERC unterstützt werden, ist damit, so Freunberger, ein „Quantensprung“gelungen.
Zudem weise die Herstellung durch den Verzicht auf Kobalt, Mangan und Nickel eine gute Ökobilanz auf, sagt der Fachmann: „Während die Erzeugung eines Lithium-Ionen-Akkus so viel Energie benötigt, wie anschließend bei rund 350 Ladezyklen verbraucht wird und für das Recycling Hochtemperaturprozesse nötig sind, hinterlässt Sauerstoff in der Umwelt keine schädlichen Spuren.“In den nächsten Forschungsschritten sollen die Akkus weiter optimiert werden, damit sie den Weg vom Labor auf die Straße schaffen.