Sinds 2012, Stefan Freunberger van het Institute for Chemistry and Technology of Materials aan de TU Graz heeft gewerkt aan de ontwikkeling van een nieuwe generatie batterijen met verbeterde prestaties en een langere levensduur, en die bovendien goedkoper te produceren zijn dan de huidige modellen. Hij gelooft dat lithium-zuurstofbatterijen een aanzienlijk potentieel hebben. in 2017, tijdens zijn werk, Freunberger ontdekte parallellen tussen celveroudering in levende organismen en in batterijen. In beide gevallen, zeer reactieve singlet-zuurstof is verantwoordelijk voor het verouderingsproces. Deze vorm van zuurstof, dat de afgelopen jaren de focus was van Freunbergers onderzoek, wordt geproduceerd wanneer lithium-zuurstofbatterijen worden opgeladen of ontladen. De in Graz gevestigde onderzoeker heeft nu manieren gevonden om de negatieve effecten van singlet-zuurstof te minimaliseren, en zijn bevindingen zijn gepubliceerd in gerenommeerde tijdschriften Natuurcommunicatie en Angewandte Chemie .

Stabiele redoxmediatoren de sleutel tot energie-efficiëntie

In zijn krant in Natuurcommunicatie , Freunberger beschrijft het effect van singletzuurstof op zogenaamde redoxmediatoren, die reversibel kunnen worden gereduceerd of geoxideerd. Het werk is uitgevoerd in samenwerking met onderzoekers uit Zuid-Korea en de VS. Redox-mediatoren spelen een vitale rol in de stroom van elektronen tussen het externe circuit en het ladingopslagmateriaal in zuurstofbatterijen, en hebben ook een aanzienlijke impact op hun prestaties. Het principe achter mediators is ontleend aan de natuur, waar ze verantwoordelijk zijn voor tal van verschillende functies in levende cellen, inclusief het verzenden van zenuwimpulsen en het produceren van energie. "Tot nu toe werd aangenomen dat redoxmediatoren worden gedeactiveerd door superoxiden en peroxiden. Maar onze experimenten hebben aangetoond dat dit te wijten is aan de werking van singlet-zuurstof, " zei Freunberger. De onderzoekers gebruikten berekeningen van de dichtheidsfunctionaaltheorie om aan te tonen waarom bepaalde klassen van mediatoren beter bestand zijn tegen singletzuurstof dan andere. Ze identificeerden ook de meest waarschijnlijke aanvalswegen. Deze inzichten stimuleren de ontwikkeling van nieuwe, stabielere redoxmediatoren. "Hoe stabieler de bemiddelaars, hoe efficiënter, omkeerbaar en duurzaam worden de batterijen, ’ legde Freunberger uit.

DABConium biedt effectieve bescherming tegen singletzuurstof

Naast het deactiveren van redoxmediatoren, singlet-zuurstof veroorzaakt ook parasitaire reacties, die de levensduur van de batterij en de oplaadbaarheid in gevaar brengen. Dus, Freunberger probeerde een geschikte quencher te vinden die de geproduceerde singlet-zuurstof omzet in onschadelijke triplet-zuurstof. die in de lucht voorkomt – de biologie wees hem in de goede richting. "Een enzym genaamd superoxide dismutase blokkeert de vorming van singlet zuurstof in levende cellen. In plaats daarvan, Ik gebruikte DABCoonium – een zout van de organische stikstofverbinding DABCO – in mijn experimenten." DABConium is een elektrolytadditief dat veel beter bestand is tegen oxidatie dan eerder geïdentificeerde quenchers, en is compatibel met een lithium-metaalanode. Op deze manier, voor het eerst creëerde Freunberger voorwaarden voor het opladen van lithiumzuurstofcellen die grotendeels vrij waren van nevenreacties - met andere woorden, zonder parasitaire reacties. Echter, zoals Freunberger vorig jaar liet zien, singlet-zuurstof veroorzaakt ook problemen in lithium-ionbatterijen van de nieuwste generatie, evenals in zuurstofbatterijen. Dit betekent dat quenchers ook van belang zijn voor de eerstgenoemde. Freunberger publiceerde details van deze singlet zuurstof quencher in het tijdschrift Angewandte Chemie .

Ideaal geval:Gecombineerde bemiddelaar en quencher

De volgende stap in Freunbergers onderzoek bestaat uit het samenvoegen van zijn bevindingen en het ontwikkelen van een nieuwe klasse van mediatoren. Deze moeten bijzonder resistent zijn tegen aanvallen van singlet-zuurstof en deze ook effectief bestrijden door een dovende functie uit te voeren. Dit zou de levensduur van lithium-zuurstofbatterijen drastisch verlengen en de energie-efficiëntie maximaliseren.