In der heutigen Welt, in der die Nachfrage nach nachhaltigen Energielösungen stetig steigt, stehen herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien aufgrund ihrer umweltschädlichen Inhaltsstoffe unter Druck. Insbesondere die Verwendung von Nickel und Kobalt sowie giftigen Lösungsmitteln zur Beschichtung von Elektrodenmaterialien wirft Bedenken auf. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, haben Materialwissenschaftler der Universität des Saarlandes nach umweltfreundlicheren Alternativen gesucht. Ihre jüngsten Erkenntnisse, veröffentlicht im Fachjournal „Chemistry of Materials“, zeigen, dass mit Eisenoxid gefüllte Kohlenstoffkugeln vielversprechende Eigenschaften als Energiespeicher aufweisen.
Die Kohlenstoffkugeln, die an der Universität Salzburg von Professor Michael Elsässer entwickelt wurden, sind hochporös und weisen eine große Oberfläche auf. Diese „Spherogele“ haben einen Durchmesser von etwa 250 Nanometern und bieten eine hohe elektrochemische Kapazität. Stefanie Arnold, eine Materialwissenschaftlerin an der Universität des Saarlandes, beschreibt die Herausforderung, geeignete Metalloxide über chemische Synthese in die bereits bestehenden Hohlräume dieser Kugeln einzubringen. Nach ersten Tests mit Titandioxid, das sich als weniger effektiv erwies, fiel die Wahl auf Eisenoxid – allgemein bekannt als Rost.
Eisen hat den Vorteil, dass es in großen Mengen weltweit verfügbar ist und theoretisch eine hohe Speicherkapazität besitzt. Darüber hinaus lässt es sich gut recyceln. Die Forscher konnten mithilfe eines skalierbaren Syntheseverfahrens auf Basis von Eisenlaktat verschiedene Eisenvarianten in das Kohlenstoffgerüst der Hohlkugeln integrieren. Das Ergebnis war ein robustes, poröses Netzwerk mit gleichmäßig verteilten Eisen-Nanopartikeln. Ein faszinierendes Phänomen war die steigende Speicherkapazität während der Nutzung der Batterie. Mit der Zeit und nach etwa 300 Ladezyklen erreichte das Eisenoxid seine maximale Speicherkapazität, da metallisches Eisen mit Sauerstoff reagiert und aktiviert wird.
Die Entwicklung von „Batterien aus Rost“ befindet sich jedoch noch in einem frühen Stadium. Um diese Technologie für industrielle Anwendungen nutzbar zu machen, sind weitere Forschungen erforderlich. Ein zentrales Ziel ist es, den Aktivierungsprozess zu beschleunigen, sodass die Batterien schneller ihre maximale Speicherkapazität erreichen. Zudem benötigen die Forscher eine geeignete Gegenelektrode, um vollständige Batteriesysteme zu entwickeln. Volker Presser, Professor für Energie-Materialien und Leiter der Forschungsabteilung am Saarbrücker INM – Leibniz-Institut für Neue Materialien, äußert sich optimistisch: „Wir sind zuversichtlich, dass wir damit umweltfreundliche Zwischenspeicher für regenerative Energien realisieren können.“
Ein weiterer spannender Aspekt dieser Forschung ist die Möglichkeit, das neu entwickelte Material auch für Natrium-Ionen-Batterien zu verwenden, die bereits von einigen chinesischen Automobilherstellern eingesetzt werden. Die Vielseitigkeit der Spherogele eröffnet zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, da sie es ermöglichen, verschiedene Materialien in einem einzigen Syntheseschritt zu integrieren.
Stefanie Arnold arbeitet im Rahmen des „EnFoSaar-Projekts“ auch an der Möglichkeit des Lithium-Recyclings aus Batterien. Die Herausforderung besteht darin, Batterien so zu gestalten, dass sie in industriellem Maßstab einfach zerlegt werden können. „Wir benötigen effiziente Recyclingmethoden und geschlossene Kreislaufsysteme, um den Ressourcenverbrauch zu minimieren und den Abfall in der Batterie-Lieferkette zu reduzieren“, betont sie.
Das EnFoSaar-Projekt wird von der saarländischen Landesregierung mit 23 Millionen Euro aus dem Transformationsfonds unterstützt und zielt darauf ab, innovative Ansätze für eine klimafreundliche Energieversorgung zu fördern. Es soll die Transformation der saarländischen Energiewirtschaft und die damit verbundene Forschungslandschaft durch eine praxisnahe und wissenschaftlich fundierte Methodik vorantreiben.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Entwicklung von Eisenoxid-basierten Kohlenstoffkugeln für Batterien einen vielversprechenden Schritt in Richtung umweltfreundlicherer Energiespeicher darstellt. Die Forschung wird fortgesetzt, um die Technologie zu optimieren und sicherzustellen, dass sie in Zukunft eine tragfähige Alternative zu herkömmlichen Batterien darstellt.
