Batterien aus Rost? Mit Eisenoxid gefüllte Kohlenstoffkugeln bieten gute Speicherkapazität

In der Batterieforschung bahnt sich eine ökologische Wende an. Herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus stehen aufgrund problematischer Inhaltsstoffe wie Nickel und Kobalt sowie toxischer Lösungsmittel bei der Elektrodenbeschichtung zunehmend in der Kritik. Um diese Umweltbelastungen zu reduzieren, arbeiten Materialwissenschaftler der Universität des Saarlandes intensiv an nachhaltigen Alternativen. Ein vielversprechender Ansatz ist die Kooperation mit Professor Michael Elsässer von der Universität Salzburg, der spezielle hochporöse Hohlkugeln aus Kohlenstoff entwickelt hat. Diese Strukturen dienen als Gerüst, in das die Forschenden fein verteiltes Eisenoxid eingebracht haben. Die ersten Ergebnisse dieser Kombination sind beeindruckend. Die erzielten Speicherkapazitäten sind hochgradig konkurrenzfähig, während die verwendeten Rohstoffe Eisen und Kohlenstoff zudem kostengünstig und weltweit breit verfügbar sind.

Nanostrukturierte Energiespeicher: Das „Mozartkugel-Prinzip“

In Anlehnung an die berühmte Salzburger Süßigkeit beschreibt die Materialforscherin Stefanie Arnold den innovativen Aufbau ihrer neuen Speicherstrukturen. „Aus Salzburg kommen ja 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 so genannten Spherogele (engl. 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.“ Erste Tests mit Titandioxid überzeugten aufgrund einer zu geringen Kapazität für Lithium-Ionen nicht. Nun setzen die Wissenschaftler:innen auf Eisenoxid – besser bekannt als gewöhnlicher Rost.

Ressourceneffizienz durch selbstoptimierende Eisen-Kohlenstoff-Akkus

Die Materialforscherin Stefanie Arnold hebt die ökologischen Vorzüge des neuen Materials hervor: „Eisen hat den Vorteil, dass es weltweit reichlich vorhanden ist, zumindest theoretisch eine hohe Speicherkapazität aufweist und gut zu recyceln ist“. Mithilfe eines skalierbaren Syntheseverfahrens auf Basis von Eisenlaktat gelang es dem Salzburger Team, verschiedene Eisenvarianten in das Kohlenstoffgerüst der Hohlkugeln einzubauen, wodurch robuste Netzwerke mit präzise verteilten Nanopartikeln entstanden. Überraschende Erkenntnisse lieferte dabei die Langzeitnutzung: „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 Stefanie Arnold.

„Batterien aus Rost“ werden weiter erforscht

Bis zu einer industriellen Anwendung dieses Mechanismus bleibt jedoch noch Forschungsarbeit zu leisten. Insbesondere muss der Aktivierungsprozess beschleunigt werden, damit die volle Speicherkapazität der Batterien schneller erreicht wird. Da die mit Eisenoxid gefüllten Kohlenstoffhohlkugeln bislang lediglich die Elektrode darstellen, steht zudem die Entwicklung einer passenden Gegenelektrode für eine vollständige Zelle aus. Volker Presser blickt dennoch optimistisch in die Zukunft: „Wir sind zuversichtlich, dass es gelingt, damit Zwischenspeicher für regenerative Energien auf umweltfreundliche Weise zu betreiben“. Neben diesem Einsatzbereich soll das Material auch für Natrium-Ionen-Batterien erprobt werden, die bereits von chinesischen Automobilherstellern genutzt werden. Michael Elsässer 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“.

Neue Recyclingmethoden und klimafreundliche Energieversorgung entwickeln

Im Rahmen des Großprojekts „EnFoSaar“ widmet sich Stefanie Arnold zusätzlich der zentralen Frage, wie Lithium effizient aus Batterien rückgewonnen werden kann und welche Design-Anforderungen künftige Batterien erfüllen müssen, um eine industrielle Zerlegung zu ermöglichen. „Wir benötigen effiziente Recyclingmethoden und geschlossene Kreislaufsysteme, um den Ressourcenverbrauch zu minimieren und den Abfall in der Batterie-Lieferkette zu reduzieren“, betont Stefanie Arnold. Das Projekt verfolgt das Ziel, wegweisende Konzepte für eine klimafreundliche Energieversorgung zu etablieren. Dabei soll die Transformation der regionalen Energiewirtschaft sowie der Forschungslandschaft durch eine Methodik gestärkt werden, die wissenschaftliche Fundierung mit unmittelbarer praktischer Anwendung verbindet.

Quelle

Universität des Saarlandes (02/2026)