Grundlegendes zu Brennstoffzellen und Batterien der Zukunft

Theorie trifft Experiment 

Brennstoffzellen, die Wasser- und Sauerstoff in Energie umwandeln, gelten als umweltfreundliche Kraftwerke der Zukunft. Damit die Energiewandler künftig möglichst effizient Elektroautos oder etwa Smartphones antreiben können, wird intensiv in diesem Bereich geforscht – vor allem zu sauren Brennstoffzellen. Wissenschaftler um Professor Wolfgang Schmickler und Dr. Elizabeth Santos vom Ulmer Institut für Theoretische Chemie haben sich in den letzten zwei Jahren vor allem mit alkalischen Brennstoffzellen beschäftigt.

Im Gegensatz zu ihrem sauren Pendant, bei dem Platin der beste Katalysator ist, reicht im alkalischen Medium zum Beispiel Gold aus, um den elektrochemischen Prozess in Gang zu setzen. Das Einzige, was fehlt, ist eine leistungsfähige Membran. Sobald diese gefunden ist – und dazu gibt es sehr vielversprechende Ansätze – wird sich die alkalische Brennstoffzelle durchsetzen, so die Ulmer Wissenschaftler. Sie ist billiger, effektiver, und lebe länger. Grundsätzliche, theoretische Überlegungen zu alkalischen und sauren Zellen haben die Ulmer Wissenschaftler jetzt in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie International veröffentlicht. Dabei liegt ein Schwerpunkt auf der Sauerstoffreduktion. Dieser Schritt läuft in vielen aktuellen Brennstoffzellen zu langsam und somit ineffizient ab.

Bei der Brennstoffzelle sind zwei Elektroden über einen äußeren Stromkreis verbunden und mit einer dünnen Schicht überzogen, die als Katalysator elektrochemische Prozesse antreibt. Aus Wasserstoff und Sauerstoff, die den Elektroden zugeführt werden, entstehen letztlich Energie und Wasser. Beide Elektroden trennt eine für Ionen durchlässige Membran, die verhindert, dass sich Wasserstoff und Sauerstoff mischen, bevor sie reagieren.

Warum aber ist ein verhältnismäßig billiger Katalysator wie Gold im alkalischen Milieu ausreichend? Und wieso kann er nicht im sauren Milieu funktionieren? Das sind Fragen, die Santos und Schmickler mithilfe der von ihnen entwickelten Theorie der Elektrokatalyse beantwortet haben. Um die Geschwindigkeit von Reaktionen in Lösungen nachzuvollziehen, haben sie umfangreiche quantenstatistische Berechnungen mit der Density Functional-Theory kombiniert. Dabei handelt es sich um ein Programm zur Berechnung chemischer Eigenschaften. Mit interessanten Ergebnissen: Im alkalischen Milieu ist der erste Reaktionsschritt thermodynamisch günstig. Man braucht gar keinen Katalysator, die Sauerstoffreduktion läuft wenige Ångström von der Elektrode entfernt von alleine ab. Im Sauren hingegen ist sie nur effizient, wenn ein guter Katalysator dafür sorgt, dass der Sauerstoff im Vorfeld adsorbiert wird. Andernfalls ist der erste Schritt energetisch zu ungünstig.

Diese Erkenntnisse können auch auf neuartige Lithium-Luft-Batterien übertragen werden. Da das Potential von Lithium-Ionen-Batterien als weitgehend ausgereizt gilt, steht diesen Batterien mit einer theoretisch viel höheren Energiedichte wohl eine große Zukunft bevor. Die theoretischen Überlegungen der Forscher könnten experimentell arbeitenden Kollegen wichtige Hinweise zur Konstruktion effektiver Batterien geben und viel Zeit sowie Geld sparen.

Der Fachartikel [1] ist im Zuge der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanzierten Forschergruppe Theory meets Experiment: Elementary Steps in Electrocatalysis entstanden. Neben Schmickler und Santos waren Forscher aus Argentinien und Russland an den theoretischen Überlegungen beteiligt. Unterstützt wurden sie von der argentinischen Forschungsgemeinschaft Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET), von der EU (Projekt ELCAT) und dem Deutschen Akademischen Austauschdienst (DAAD).

[1] Paola Quaino, Noelia B. Luque, Renat Nazmutdinov, Elizabeth Santos, and Wolfgang Schmickler: Why is Gold such a Good Catalyst for Oxygen Reduction in Alkaline Media? Angewandte Chemie International. DOI: 10.1002/anie.201205902 und 10.1002/ange.201205902