Hohlkugeln und Rost: So lassen sich Lithium-Ionen-Akkus verbessern

Die Suche nach nachhaltigeren Energiespeichern läuft auf Hochtouren, denn klassische Lithium-Ionen-Akkumulatoren sind in mehrfacher Hinsicht problematisch. Sie enthalten kritische Metalle wie Nickel und Kobalt, und die Herstellung der Elektroden erfordert oft toxische Lösungsmittel. Vor diesem Hintergrund haben Forscher:innen der Universität des Saarlandes und ihrer Partner eine alternative Materialstrategie untersucht, die auf einem vermeintlich banalen Stoff basiert: Eisenoxid, besser bekannt als Rost.

Bild: Borhani et al./ Chemistry of Materials, CC-by 4.0

Hohlkugeln verbessern ein altes Konzept

Im Zentrum des neuen Ansatzes stehen winzige, hohle Kugeln aus Kohlenstoff mit einem Durchmesser von rund 250 Nanometern. Diese sogenannten Carbon-Spherogele sind extrem porös und bieten eine große innere Oberfläche, die für elektrochemische Prozesse besonders geeignet ist. In das Innere dieser Strukturen haben die Forscher:innen fein verteilte Partikel aus Eisen eingebracht, die sich während des Batteriebetriebs in Eisenoxid umwandeln.

Eisen gehört zu den am häufigsten vorkommenden Metallen der Erde, ist gut recycelbar und besitzt grundsätzlich das Potenzial, Lithium-Ionen zu speichern. Reine Eisenoxide neigen allerdings dazu, sich beim Laden und Entladen stark auszudehnen, was ihre mechanische Stabilität beeinträchtigt. Die hohlen Kohlenstoffkugeln wirken diesem Effekt entgegen, indem sie dem Material Raum für Volumenänderungen geben und gleichzeitig den elektrischen Kontakt aufrechterhalten.

Bemerkenswert ist, dass die Speicherkapazität dieser Elektroden nicht sofort ihr Maximum erreicht. Mit zunehmender Zahl an Lade- und Entladezyklen reagiert das Eisen schrittweise mit Sauerstoff, füllt die Hohlräume der Kugeln aus und steigert so die Kapazität. Nach mehreren hundert Zyklen wird ein stabiler Zustand erreicht. Stefanie Arnold betont, dass Eisen nicht nur reichlich verfügbar sei, sondern auch theoretisch eine hohe Speicherkapazität aufweise und sich vergleichsweise einfach wiederverwerten lasse.

Neuer Ansatz verbessert Abhängigkeit von seltenen Rohstoffen

Eisenbasierte Elektroden könnten helfen, die Abhängigkeit von Nickel und Kobalt zu reduzieren, deren Förderung häufig mit erheblichen ökologischen und sozialen Problemen verbunden ist. Eisen ist preiswert, global verfügbar und industriell gut etabliert. In Kombination mit den stabilen Kohlenstoffstrukturen entsteht ein Elektrodenmaterial, das sowohl leistungsfähig als auch ressourcenschonender ist.

Gleichzeitig bestehen noch technische Hürden. Der langsame Aktivierungsprozess stellt ein zentrales Problem dar, da viele Anwendungen Batterien erfordern, die ihre volle Leistung von Beginn an liefern. Zudem handelt es sich bei den bisherigen Versuchen lediglich um eine einzelne Elektrode. Für den praktischen Einsatz müssen vollständige Batteriezellen entwickelt werden, bei denen auch die Gegenelektrode optimal auf das neue Material abgestimmt ist.

Parallel dazu untersuchen die Forscher:innen, ob sich das Konzept auch auf andere Batterietypen übertragen lässt. Besonders Natrium-Ionen-Batterien gelten als vielversprechend, da Natrium noch häufiger verfügbar ist als Lithium und sich vor allem für stationäre Energiespeicher eignet.

Mehr Nachhaltigkeit in der Batteriefertigung

Nachhaltigere Batteriematerialien spielen eine Schlüsselrolle für die Energiewende. Sie beeinflussen nicht nur die Umweltbilanz von Elektrofahrzeugen und Speichersystemen für erneuerbare Energien, sondern auch die Stabilität globaler Lieferketten. Materialien wie Eisen und Kohlenstoff lassen sich einfacher recyceln und reduzieren die Abhängigkeit von geopolitisch sensiblen Rohstoffen.

Die Arbeit an eisenoxidbasierten Elektroden zeigt, dass Fortschritte in der Batterieforschung nicht zwangsläufig auf immer exotischere Materialien angewiesen sind. Auch alltägliche Stoffe können, richtig strukturiert und kombiniert, neue Perspektiven eröffnen. Ob sich dieser Ansatz langfristig in marktfähigen Energiespeichern durchsetzt, bleibt offen, doch er verdeutlicht, wie breit das Spektrum möglicher Lösungen inzwischen geworden ist.

via Universität des Saarlandes