Batterieforschung CO₂ rein, Energie raus: Forscher bauen effizienteren Lithium-CO₂-Batterie-Prototypen

Das Konzept „atmender Batterien“, die CO₂ aufnehmen und Energie bei der Entladung abgeben, klingt gut, doch scheiterte bisher auch an der elektrochemischen Überspannung. Forscher der University of Surrey haben in Cäsium-Phosphomolybdat (CPM) eine Lösung ohne seltene Erden gefunden.

„Atmende Batterien“ sind ein bildhafter Begriff für Batterien, die während ihrer Entladung oder Aufladung ein Gas, meistens Sauerstoff oder Kohlendioxid, aus der Umgebung aufnehmen oder abgeben, also ähnlich wie Lebewesen beim Atmen Gase austauschen. Diese experimentelle Batterietechnologie bietet theoretisch Potenzial für eine höhere Energiedichte oder auch für einen effizienteren Materialeinsatz. Vom möglicherweise positiven Effekt auf die Reduzierung von CO₂ mal ganz zu schweigen.

Allerdings gibt es noch viele Probleme zu lösen, etwa hinsichtlich der Stabilität und Zyklenfestigkeit sowie der Reaktionsreversibilität. Eine Schwachstelle ist die Überspannung. Das bedeutet, dass eine elektrochemische Reaktion (wie das Laden oder Entladen einer Batterie) mehr Energie braucht, als theoretisch nötig wäre, weil die Reaktion nicht reibungslos abläuft. Ein Katalysator bringt dabei Abhilfe. Die Forscher der University of Surrey haben laut ihrer im Fachmagazin Advanced Science veröffentlichten Studie einen kostengünstigen Katalysator gefunden, um das Überspannungsproblem zu lösen.

Lithium-CO₂-Batterie-Prototyp in einem Glas

Das Mittel zum Zweck war für die Wissenschaftler Cäsium-Phosphomolybdat (CPM). Laborexperimente und Computermodelle zeigten, dass allein die Änderung des Katalysators der Batterie es ermöglichte, deutlich mehr Energie zu speichern, mit weniger Strom zu laden und über 100 Ladezyklen hinweg zu funktionieren. Dieser vielversprechende Erfolg bedeutet einen Schritt in Richtung Kommerzialisierung der Batterien, um Emissionen von Fahrzeugen und aus industriellen Quellen zu senken. Man träumt im Team auch davon, die Batterien auf dem Mars betreiben zu können, dessen Atmosphäre mit einem Gehalt von 95 Prozent CO₂ ideal für den Betrieb erscheint.

Insbesondere auf die Lösung des Überladungsproblems stützt sich das Forscherteam. Dr. Siddarth Gadkari, Dozent für chemische Verfahrenstechnik, dazu: „Was wir gezeigt haben, ist, dass CPM diesen Anstieg abflacht – das bedeutet, dass die Batterie bei jedem Lade- und Entladevorgang deutlich weniger Energie verliert.“

Was macht Cäsium-Phosphomolybdat so „gut“?

Teams der chemischen Fakultät und des Advanced Technology Institute in Surrey untersuchten die Batterie auf verschiedene Weisen, um den Effekt von CPM besser zu verstehen. Die Batterie wurde nach dem Laden und Entladen zerlegt, um die chemischen Vorgänge zu untersuchen. Diese sogenannten Post-mortem-Tests zeigten, dass Lithiumcarbonat – die Verbindung, die entsteht, wenn die Batterie CO₂ aufnimmt – zuverlässig gebildet und wieder entfernt werden konnte.

Zweitens nutzten die Forscher DFT-Simulationen (Density Functional Theory), mit denen sich chemische Reaktionen auf Materialoberflächen modellieren lassen. Die Ergebnisse zeigten, dass die stabile, poröse Struktur von CPM eine ideale Oberfläche für zentrale Reaktionsprozesse bietet. Der Clou: Die effiziente CO₂-Lithium-Batterie ließ sich aus günstigen und skalierbaren Materialien herstellen. „Ganz ohne seltene Metalle“, betont Dr. Daniel Commandeur, Surrey Future Fellow. „Unsere Ergebnisse öffnen zudem die Tür für die Entwicklung noch besserer Katalysatoren in Zukunft.“ (sb)

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