Durch die steigende Nachfrage nach nachhaltigen Energiespeichern für tragbare Elektronik und Elektrofahrzeuge rückt die Materialzusammensetzung von Lithium-Ionen-Batterien zunehmend in den Fokus. Aktuelle Batterien benötigen oft kritische Rohstoffe wie Kobalt oder Nickel, deren Gewinnung mit erheblichen ökologischen und ethischen Herausforderungen sowie hohen Kosten verbunden ist. Eine österreichisch-deutsche Forschungsgruppe hat nun eine Alternative präsentiert, die auf breit verfügbaren und umweltfreundlicheren Materialien basiert: Eisen-beladene Kohlenstoff-Spherogele. Dabei macht sich das Team chemische Prozesse zunutze, die landläufig als Rosten bekannt sind, um Energie effizient zu speichern.

Diese Spherogele sind hochporöse Kohlenstoff-Aerogele, die aus einem Netzwerk gleichmäßig großer Hohlkugeln bestehen. Die Forscher nutzen ein spezielles Syntheseverfahren, bei dem Polystyrol-Kugeln als Platzhalter dienen, um die charakteristische Struktur zu erzeugen. In diese Hohlräume werden Eisen-Nanopartikel integriert, die durch die Zersetzung von Eisenlaktat (ein Eisensalz) entstehen. Das Ergebnis ist eine robuste, dreidimensionale Matrix, die die Vorteile von leitfähigem Kohlenstoff mit den Vorzügen von Eisen verbindet: "Eisen hat den Vorteil, dass es weltweit reichlich vorhanden ist, zumindest theoretisch eine hohe Speicherkapazität aufweist und gut zu recyceln ist", sagt Meterialforscherin Stefanie Arnold von der Universität des Saarlandes.

Die Materialforscherin Stefanie Arnold von der Universität des Saarlandes will mit Hilfe von Hohlkugeln aus Kohlenstoff Energiespeicher umweltfreundlicher machen.Bildrechte: Oliver Dietze | Universität des Saarlandes

Rost als Leistungsträger

Ein zentrales Problem bei der Verwendung von Eisen als Elektrodenmaterial ist die starke Volumenänderung während der chemischen Reaktion mit Lithium, was bei herkömmlichen Materialien oft zu einer schnellen Abnahme der Kapazität führt. Die Kohlenstoff-Hohlkugeln fungieren hierbei als mechanischer Puffer, der die Ausdehnung der Eisenoxide – also des entstehenden "Rosts" – auffängt und gleichzeitig für eine exzellente elektrische Anbindung sorgt. Die Untersuchung verschiedener Beladungsgrade zeigte, dass ein mittlerer Eisengehalt von etwa 27 Massenprozent das beste Gleichgewicht zwischen Speicherkapazität und Langlebigkeit bietet.

Interessanterweise beobachteten die Forscher bei ihren Tests, dass die Kapazität der Batterie über die ersten 300 Ladezyklen hinweg kontinuierlich anstieg. Dies liegt an der schrittweisen Umwandlung von metallischem Eisen in elektrochemisch aktivere Eisenoxid-Phasen innerhalb des schützenden Kohlenstoffgerüsts. "Je länger man also die Batterie nutzte, desto höher wurde ihre Leistung", erklärt Stefanie Arnold den Effekt. In Langzeittests erreichte die Variante mit dem geringsten Eisengehalt nach 300 Zyklen eine spezifische Entladekapazität von bis zu 1.190 Miiliamperestunden (mAh) pro Gramm und übertrifft damit viele bisherige Systeme.

Blick in die Zukunft der Batterien

Ein weiterer entscheidender Vorteil des neuen Materials ist der Verzicht auf zusätzliche Leitadditive im Elektrodenbau, da die Leitfähigkeit der Spherogele ausreicht. Das vereinfacht den Herstellungsprozess und macht die Batterie nachhaltiger. Michael Elsässer von der Universität Salzburg betont die Flexibilität des Ansatzes: "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."

Die Forschungsgruppe blickt bereits über die Lithium-Ionen-Technologie hinaus. Das Material soll künftig auch für Natrium-Ionen-Batterien getestet werden, die ohne Lithium auskommen. Zudem arbeitet das Team im Rahmen des Projekts „EnFoSaar“ an Recyclingmethoden, um Batterien so zu konstruieren, dass sie effizient zerlegt und Rohstoffe in den Kreislauf zurückgeführt werden können.

Bis der Mechanismus auch im industriellen Maßstab genutzt werden kann, muss allerdings noch einige Forschungsarbeit geleistet werden. Zum einen muss der Aktivierungsprozess noch beschleunigt werden, damit die Batterien früher ihre maximale Speicherkapazität erreichen. Zum anderen 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“, resümiert Volker Presser vom Leibniz-Institut für Neue Materialien.

Links / Studien

S. Borhani et al. (2026): "Iron-Loaded Carbon Spherogels as Sustainable Electrode Materials for High-Performance Lithium-Ion Batteries", Chemistry of Materials

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