Gammeliger Gamechanger Rost in Kohlenstoff sorgt für grüne Batterie

Rost, also Eisenoxid, steht eigentlich für Verfall und Ruin. Doch das von gelb bis schwarz tendierende Molekül kann sozusagen auferstehen ...

Herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus enthalten bekanntlich problematische Stoffe wie Nickel und Kobalt. Zudem sind die Lösungsmittel, mit denen die Elektrodenmaterialien beschichtet werden, auch noch toxisch. Materialwissenschaftler der Universität des Saarlandes suchen deshalb nach umweltfreundlichen Alternativen. In hoch porösen Hohlkugeln aus Kohlenstoff, die an der Universität Salzburg von Professor Michael Elsässer entwickelt wurden, haben sie im Zuge dessen jetzt fein verteiltes Eisenoxid eingeimpft. Die erzielten Speicherkapazitäten klingen vielversprechend, wird betont. Und das Beste: Eisen und Kohlenstoff sind praktisch überall zu haben. Die Forschungsergebnisse wurden im Fachmagazin „Chemistry of Materials“ veröffentlicht.

Salzburg ist nicht nur der Quell für leckere Mozartkugeln

Aus Salzburg kommen ja bekanntlich die Mozartkugeln, doch offensichtlich versteht man sich dort auch auf die Herstellung von winzigen Kohlenstoffkugeln. „Die sogenannten Spherogele (englisch Carbon Spherogels) bieten uns Einheiten in der Größe von circa 250 Nanometern plus großer Oberfläche. Hinzu kommt eine hohe elektrochemischen Kapazität“, erklärt die Materialforscherin Stefanie Arnold von der Universität des Saarlandes. Die Herausforderung ist demnach nun, passende Metalloxide über eine chemische Synthese in den schon vorhandenen Hohlraum der Kügelchen hineinzupacken. Nach ersten Versuchen mit Titandioxid, dessen Fähigkeit, Lithium-Ionen speichern und wieder freizugeben, jedoch relativ gering ist, kam man auf die Idee, Eisenoxid zu nutzen. „Eisen hat den Vorteil, dass es weltweit reichlich vorhanden ist, zumindest theoretisch eine hohe Speicherkapazität aufweist und gut zu recyceln ist“, so Arnold dazu. Mit einem skalierbaren Syntheseverfahren, das auf der chemischen Verbindung Eisenlaktat basiert, konnten dann wiederum die Salzburger Kollegen verschiedene Varianten von Eisen in das Kohlenstoffgerüst der Hohlkugeln integrieren.

So wird Eisen zum Batteriespeichermaterial verwandelt

Dabei entstanden robuste poröse Netzwerke mit gleichmäßig verteilten Nanopartikeln aus Eisen. Interessant sei dabei gewesen, dass sich die Speicherkapazität durch den elektrochemischen Prozess immer weiter erhöhte. Und je länger man die Batterie nutzte, desto höher wurde deshalb ihre Leistung, wie man betont. Das liegt wohl daran, dass das metallische Eisen, genannt Eisen-(0), erst mit Sauerstoff zu Eisenoxid reagiert, dabei aktiviert wird und sich durch Anlagerung von Sauerstoffatomen zwangsläufig ausdehnt. Erst nach rund 300 Zyklen hat das Eisenoxid dann alle Hohlräume der Kohlenstoffkugeln gefüllt und seine maximale Speicherkapazität erreicht. Aber bis dieser Mechanismus auch im industriellen Maßstab genutzt werden kann, muss noch einige Forschungsarbeit geleistet werden, wie Arnold zugeben muss. Zum einen muss der Aktivierungsprozess schneller werden, damit die Batterien rasch ihre maximale Speicherkapazität erreichen. Und zum anderen stellen die mit Eisenoxid gefüllten Kohlenstoffhohlkugeln erst die Elektrode der Batterien dar. Für eine Vollzelle ist aber bekanntlich auch noch eine passende Gegenelektrode nötig, die erst noch zu entwickeln ist.

Doch Eisen kann in Sachen Energieversorgung noch so einiges mehr, wie folgender Beitrag erläutert:

Eherne Quelle

Eisen heißt der alternative Speicher für Wasserstoffenergie

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