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Energiespeicher: Batterien mit Hilfe von Viren betrieben

Gentechnisch veränderte Viren könnten als Gerüst für besonders leitfähige Elektroden von Lithiumionen-Akkumulatoren dienen. Der neue Batterietyp bietet die gleiche Energiedichte und Leistung wie derzeitige Modelle und lässt sich zudem preiswert und umweltschonend herstellen, berichten Angela Belcher vom Massachusetts Institute of Technology im amerikanischen Cambridge und ihre Kollegen.

Genetisch veränderte Viren | Die ungiftigen Viren sind hier in einer Petrischale gezeigt. Genetisch verändert, färben sie sich blau.
Das Team verwendete gewöhnliche Bakteriophagen, die zwar Bakterien infizieren, für den Menschen aber ungefährlich sind, um die neuartigen Elektroden zu bauen. Die in zwei Genen veränderten Viren dienen zunächst als Vorlage für das Wachstum von Eisenphosphat (FePO4), das diese schließlich ummantelt. Die Phosphor-Verbindungen leiten den elektrischen Strom für gewöhnlich nicht besonders gut, verfügen sonst aber über zuträgliche Materialeigenschaften. Die gentechnisch veränderten Viren binden zudem gezielt an bestimmte Materialien, in diesem Fall an Kohlenstoffnanoröhrchen. Diese bilden in einem weiteren Schritt ein Netzwerk aus hoch leitfähigem Material um die Nanodrähte aus Eisenphosphat und erhöhen somit die Leitfähigkeit der Elektrode. Auf diese Weise ist eine erhöhte Energiespeicherung bei hohen Lade- und Entladeraten möglich.

In ihren Versuchen konnten die Wissenschaftler Batterien mit dem neuen Kathodenmaterial mindestens 50 Mal auf- und entladen, ohne an Kapazität zu verlieren. Das seien zwar weniger Ladezyklen als bei derzeit verfügbaren Lithiumionen-Batterien, gibt Belcher zu, aber das Potenzial sei noch nicht ausgeschöpft. Zukünftig wollen die Foscher auch andere Materialien mit höherer Spannung und Kapazität, wie Mangan-Phosphat und Nickel-Phosphat, einsetzen.

Funktionsweise der Viren | Die genetisch veränderten Viren sind so programmiert, dass auf ihnen zunächst das Elektrodenmaterial aus Eisenphosphat wächst (gelb). Im nächsten Schritt binden Kohlenstoffnanoröhrchen (braun) an die Viren und bilden schließlich ein leitfähiges Netzwerk um die Elektrode, um so einen schnellen Energietransfer zu ermöglichen.
Die eingebauten Kohlenstoffnanoröhrchen sollten die Batterie nicht deutlich schwerer machen, so die Wissenschaftler. Die neue Technik ermögliche es sogar, sehr leichte, flexible und an den jeweiligen Einsatz angepasste Batterien herzustellen. Denkbar wären Virenbatterien beispielsweise in Hybrid-Elektroautos oder in tragbaren elektronischen Geräten.

Da die Synthese der neuen Batterien bei und unterhalb der Raumtemperatur stattfindet und keine schädlichen organischen Lösungsmittel benötigt, sei sie besonders umweltfreundlich, betonen Belcher und ihre Kollegen. Auch seien die in den Batterien eingesetzten Materialien ungiftig.

In herkömmlichen Lithiumionen-Akkus fließen die Lithiumionen zwischen einer negativ geladenen Anode, die in der Regel aus Graphit besteht, und einer positiv geladenen Kathode, meist aus Kobaltoxid oder Lithium-Eisen-Phosphat. Es gibt derzeit viele Ansätze, diese Batterien leistungsfähiger zu machen: beispielsweise durch einen Überzug des Kathodenmaterials mit Kohlenstoff oder einer Metallschicht. Das Team um Belcher hatte bereits Viren entwickelt, auf denen auch Kobaltoxid und Gold wuchsen. (mp)

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  • Quellen
Lee, Y. J. et al.: Fabricating Genetically Engineered High Power Lithium Ion Batteries Using Multiple Virus Genes. In: Science 10.1126/science.1171541, 2009.

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