Viren bilden Batterie-Elektroden

Batterien sind heutzutage auch deshalb noch immer so groß und so schwer, weil sie zur Hälfte aus Unterstützermaterialien bestehen, die gar nichts mit der Energiespeicherung zu tun haben. Forscher am MIT haben nun genetisch veränderte Viren entwickelt, die aktive Batteriekomponenten mit kompakter Struktur bilden können. Das Ziel sind ultradünne, transparente Batterieelektroden, mit denen sich dreimal mehr Energie speichern lässt als in heutigen Lithium-Ionen-Batterien (LiIon). Es ist ein erster Schritt zu einem Energiespeicher mit hoher Kapazität, der sich quasi selbst zusammenbauen könnte.

Möglich wären damit etwa Hochleistungsbatterien, die sich zum Beispiel nahezu unsichtbar an Flachbildschirmen, Handys, Laptops oder Hörgeräten anbringen ließen. Die am MIT erstellten Viren könnten in Zukunft zudem zu effizienteren Katalysatoren und Solar-Panels führen, wie das Entwicklerteam meint. Die Position anorganischer Materialien sei damit fein justierbar.

Angela Belcher, MIT-Professorin für Materialwissenschaften und Bioingenieurswesen, hat an dem Projekt gearbeitet. Das meiste erreicht habe man dabei durch genetische Manipulation: "Wir haben einem Organismus, der normalerweise keine Batterieelektroden herstellen würde, dazu gebracht, es doch zu tun – einschließlich des Zusammenbaus zu einer Gesamtkomponente." Belchers Traum: Eine DNS-Sequenz, die die Synthese von Materialien kodiert und bei der man die zu bildende Komponente quasi nur noch aus dem Laborbehälter holen müsste: "Unser Projekt ist dabei ein großer Schritt in diese Richtung."

Belchers Projekt wurde in dieser Woche in der Online-Ausgabe von "Science" vorgestellt (Virus-Enabled Synthesis and Assembly of Nanowires for Lithium Ion Battery Electrodes). Zum Einsatz kamen dabei so genannte M13-Viren, die die positiven Elektroden einer LiIon-Batterie ausbilden können. Diese wurden dann zusammen mit konventionellen negativen Elektroden getestet – eine Batterie bildete sich.

Die M13-Viren bestehen aus Proteinen, von denen sich die meisten so aufwickeln, dass sie einen langen, dünnen Zylinder bilden. Die Forscher ergänzten zusätzliche Nukleotid-Sequenzen zur Viren-DNA, mit denen die Proteine zur Bildung zusätzlicher Aminosäuren angeregt werden. Diese können sich an Kobalt-Ionen binden. Die Viren überziehen sich in einer Lösung automatisch mit diesen Kobalt-Ionen, was nach einer Reaktion mit Wasser zu Kobaltoxid führt. Dieses Kobaltoxid eignet sich wesentlich besser als Hochleistungsbatteriematerial, als die derzeit in LiIon-Batterien verwendeten kohlenstoffbasierten Materialien.

Zur Fertigstellung der Elektrode wird zuerst ein Polymer-Elektrolyt in die Viren-Lösung getaucht. Die Viren lagern sich dann als einheitlicher Überzug auf dem Elektrolyt an. Dieses überzogene Elektrolyt landet schließlich in einer Lösung mit weiteren Batterie-Materialien, die von den Viren dann in eine geordnete Kristallstruktur gebracht werden, die sich gut für Batterien mit hoher Dichte eignet.

Die Viren-Elektroden zeigten bereits in dieser ersten Stufe eine zweimal so große Kapazität wie herkömmliche kohlenstoffbasierte Elektroden. Um diese Energieausbeute noch weiter zu steigern, griffen die MIT-Forscher erneut zur Gentechnik. Dabei wurde die Kobalt-Reaktion zwar beibehalten, zusätzlich aber ein weiterer DNS-Strang eingeführt, der Viren-Proteine herstellt, die sich an Gold binden. Daraus ergeben sich dann Nanodrähte, die sowohl aus Kobaltoxid als auch aus Goldpartikeln bestehen, was die Elektroden zu einer nochmals höheren Energieausbeute um 30 Prozent anregt.

Die Verwendung von Viren zum Aufbau anorganischer Materialien habe viele Vorteile, wie Daniel Morse, Professor für Molekulargenetik und Biochemie an der University of California in Santa Barbara erklärt. So sei die Platzierung, wie hier die der Proteine, des Kobalts und der Goldpartikel, immer präzise. Die Viren könnten sich zudem schnell reproduzieren, womit sehr schnell viel Ausgangsmaterial entstehe; eine Hochskalierung sei kein Problem. Zudem fielen damit künftig teure Produktionsprozesse weg, wie sie heute bei der Batterieherstellung notwendig sind.

"Das ließe sich sehr schnell im industriellen Maßstab verwenden", meint Brent Iverson, Professor für organische Chemie und Biochemie an der University of Texas. Nanopartikel ließen sich kaum billiger aufbauen als mit Viren.

Belchers Kollege Yet-Ming Chiang, Professor für Materialwissenschaften am MIT, glaubt allerdings, dass noch viel Arbeit auf das Team zukommt. Zwar sei es vorstellbar, kleine Batterien für spezifische Anwendungen in einigen Jahren herzustellen; doch Kobaltoxid sei nicht unbedingt das beste Material, sodass die Forscher künftig Viren herstellen müssten, die sich an andere Materialien binden.

Einer der dabei zum Einsatz kommenden Prozesse nennt sich "gesteuerte Evolution". Dabei wird eine Ansammlung von Viren mit Millionen zufälliger Variationen in einen kleinen Behälter gegeben, in dem sich ein Material befindet, an das sich die Viren binden sollen. Einige der Zufallsviren besitzen Proteine, die das von vorne herein können. Deren Isolation ist ganz einfach – das Material wird gereinigt, und nur die Viren, die sich an es gebunden haben, bleiben haften. Anschließend dürfen sich diese Viren dann vermehren. Einige Runden später bleiben nur noch die Viren übrig, die die größte Affinität für das gewünschte Material besitzen.

Das MIT-Team würde zudem gerne Viren herstellen, die negative Elektroden bilden. Dann könnten sowohl positive als auch negative Elektroden an den gegensätzlichen Seiten eines Polymer-Elektrolyts wachsen – fertig wäre die Selbstbau-Batterie. Eine weitere Idee sind verschränkte Batterien, bei denen sich negative und positive Elektrodenmaterialien abwechseln. Das würde die Energiedichte weiter erhöhen und mehr Spitzenenergie liefern.

Batterien sind aber erst der Anfang für den Einsatz der neuen Technik. Da Viren verschiedene Proteine an verschiedenen Stellen besitzen, könnten Forscher Viren erstellen, die sich an ein Material in der Mitte und andere an ihren Enden anlagern. Belchers Team hat bereits Viren produziert, die sich mit Halbleitermaterialien überziehen lassen und sich an ihren Enden an Gold-Elektroden binden: Ein Viren-Transistor rückt näher. University of Texas-Mann Iverson wäre bereits von ersten derartigen Batterien begeistert: "Man kann sich bisher noch kaum ausmalen, welche Anwendungen damit möglich wären."

Übersetzung: Ben Schwan. (wst)