Herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus enthalten problematische Stoffe wie Nickel und Kobalt. Zudem sind die Lösungsmittel, mit denen Elektrodenmaterialien beschichtet werden, toxisch. In hochporösen Hohlkugeln aus Kohlenstoff haben Forschende jetzt fein verteiltes Eisenoxid eingebracht. Die erzielten Speicherkapazitäten klingen vielversprechend.
Aus Salzburg kommen bekanntlich die Mozartkugeln her. «Analog zu diesen gefüllten Schokoladenkugeln kann man sich die Kohlenstoffhohlkugeln vorstellen, die unsere Kollegen an der Universität Salzburg entwickelt haben. Diese sogenannten Spherogele (Carbon Spherogels) bieten uns Einheiten in Nanometergrösse (ca. 250 nm) mit grossen Oberflächen und einer hohen elektrochemischen Kapazität. Die Herausforderung ist nun, passende Metalloxide über eine chemische Synthese in den schon vorhandenen Hohlraum hineinzupacken», erklärt Stefanie Arnold. Nach ersten Versuchen mit Titandioxid, dessen Fähigkeit, Lithium-Ionen speichern und wieder freizugeben, jedoch relativ gering war, kam das Eisenoxid ins Spiel, das landläufig jeder als Rost kennt.
Eisen und Kohlenstoff sind breit verfügbar
«Eisen hat den Vorteil, dass es weltweit reichlich vorhanden ist, zumindest theoretisch eine hohe Speicherkapazität aufweist und gut zu recyceln ist», erklärt Stefanie Arnold, die an der Universität des Saarlandes als Post-Doktorandin bei Volker Presser, Professor für Energie-Materialien, forscht. Mit einem skalierbaren Syntheseverfahren, basierend auf Eisenlaktat, konnten die Salzburger Kollegen verschiedene Varianten von Eisen in das Kohlenstoffgerüst der Hohlkugeln integrieren. Dabei entstanden robuste poröse Netzwerke mit gleichmässig verteilten Eisen-Nanopartikeln. «Interessant war dabei, dass sich die Speicherkapazität durch den elektrochemischen Prozess immer weiter erhöhte. Je länger man also die Batterie nutzte, desto höher wurde ihre Leistung. Dies liegt daran, dass das metallische Eisen, genannt Eisen (0), erst mit Sauerstoff zu Eisenoxid reagiert, dabei aktiviert wird und sich ausdehnt. Erst nach rund 300 Zyklen hat das Eisenoxid dann alle Hohlräume der Kohlenstoffkugeln gefüllt und seine maximale Speicherkapazität erreicht», erklärt die Materialforscherin.
Bis dieser Mechanismus auch im industriellen Massstab genutzt werden kann, muss noch einige Forschungsarbeit geleistet werden. Zum einen muss der Aktivierungsprozess noch beschleunigt werden, damit die Batterien früher ihre maximale Speicherkapazität erreichen. Zudem stellen die mit Eisenoxid gefüllten Kohlenstoffhohlkugeln erst die Elektrode der Batterien dar. Um eine Vollzelle zu bekommen, muss noch eine passende Gegenelektrode entwickelt werden. «Wir sind zuversichtlich, dass es gelingt, damit Zwischenspeicher für regenerative Energien auf umweltfreundliche Weise zu betreiben», sagt Volker Presser, der auch die Forschungsabteilung Energie-Materialien am Saarbrücker Leibniz-Institut für neue Materialien leitet.
Zudem soll das neue Material auch für Natrium-Ionen-Batterien getestet werden, wie sie bereits von chinesischen Autoherstellern zum Einsatz kommen. «Diese Materialien bilden eine vielseitige Technologieplattform, mit der sich unterschiedlichste weitere Materialien in situ, also in einem Syntheseschritt, in die Spherogele integrieren und für eine Vielzahl von Anwendungen nutzen lassen», sagt Michael Elsässer. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Chemistry of Materials veröffentlicht.
Neue Recyclingmethoden
Stefanie Arnold arbeitet im Rahmen des «EnFoSaar»-Projekts auch an der Frage, wie das Lithium aus Batterien recycelt werden kann und wie Batterien künftig so konstruiert sein müssen, dass sie in industriellem Massstab 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 Arnold.
EnFoSaar ist ein Grossprojekt, das zum Ziel hat, innovative Ansätze für eine klimafreundliche Energieversorgung zu entwickeln. Es soll dabei die Transformation der saarländischen Energiewirtschaft und die dazu notwendige Forschungslandschaft durch eine wissenschaftlich fundierte und zugleich praktisch anwendungsorientierte Methodik vorantreiben.
