Energie
Lithium-CO₂-Batterie-Durchbruch fängt Kohlenstoff ein und versorgt Geräte mit Energie
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Forschende der University of Surrey haben eine experimentelle Lithium-CO₂-Batterie mit einem neuen Katalysator untersucht. Beim Entladen reagieren Lithium und Kohlendioxid; beim Laden müssen die entstandenen Produkte wieder zerlegt werden. Die Arbeit zeigt, wie sich diese umkehrbare Reaktion verbessern lässt. Sie belegt nicht, dass eine marktreife Batterie CO₂ direkt aus der Umgebungsluft entfernt oder die Nettoemissionen senkt.
Warum werden andere Batteriechemien erforscht?
Lithium-Ionen-Batterien sind in Telefonen, Elektroautos und Energiespeichern weit verbreitet. Ihre Herstellung benötigt Rohstoffe und Energie; nach der Nutzung müssen sie sachgerecht gesammelt und behandelt werden. Beschädigte oder falsch verwendete Zellen können thermisch durchgehen. Die frühere Behauptung, alle Lithium-Ionen-Batterien benötigten Platin oder Seltene Erden, ist jedoch falsch. Je nach Zellchemie werden unterschiedliche Materialien eingesetzt.
Bei einer Lithium-CO₂-Zelle ist Kohlendioxid Teil der elektrochemischen Reaktion. Eine Schwierigkeit ist das Lithiumcarbonat, das beim Entladen entsteht und beim Laden wieder abgebaut werden muss. Die zusätzliche Spannung für eine solche Reaktion heißt Überspannung. Ein geeigneter Katalysator kann diesen Energieverlust verringern und die Wiederaufladbarkeit verbessern.
Die Untersuchung der University of Surrey
In der Studie in Advanced Science prüfte das Team Cäsiumphosphomolybdat, kurz CPM, als Katalysator an der Kathode. Das Material besitzt eine Struktur vom Keggin-Typ, zahlreiche elektrochemisch aktive Stellen, eine sauerstoffreiche Oberfläche und Poren. Diese Eigenschaften können den Transport von CO₂-Molekülen und Lithiumionen zu den Reaktionsstellen begünstigen. CPM wurde mit einem vergleichsweise einfachen Verfahren hergestellt und in Laborzellen getestet.
Die Forschenden kombinierten elektrochemische Messungen mit Berechnungen nach der Dichtefunktionaltheorie. Die Pulver-Röntgenbeugung diente zur Untersuchung der Kristallstruktur. Infrarotspektroskopie und Röntgenphotoelektronenspektroskopie lieferten Informationen über chemische Bindungen und Oberflächenzustände; thermogravimetrische Messungen ergänzten die Materialanalyse. Solche Methoden erklären den Katalysator, messen aber weder die Kosten noch die Lebensdauer eines vollständigen kommerziellen Batteriepacks.
Welche Aufgabe hat CPM?
CPM unterstützt die Reduktion von CO₂ beim Entladen und die Gegenreaktion beim Laden. Die poröse Oberfläche erleichtert den Zugang von Molekülen und Ionen zu den aktiven Stellen und bietet Raum für Reaktionsprodukte. Dadurch kann sich das Lithiumcarbonat leichter wieder abbauen lassen. Probleme mit Elektrolyt, Lithiumanode, Sicherheit und Massenfertigung sind damit noch nicht gelöst.
Die gemessenen Ergebnisse
Bei einer Stromstärke von 50 mA pro Gramm berichteten die Autoren eine Entladekapazität von 15.440 mAh pro Gramm, einen coulombschen Wirkungsgrad von 97,3 % und eine Überspannung von 0,67 V. Die spezifische Kapazität bezieht sich auf die im Experiment festgelegte Masse und Bedingungen. Sie ist nicht direkt mit dem Energieinhalt pro Kilogramm eines kompletten Lithium-Ionen-Batteriepacks vergleichbar, der Gehäuse, Elektrolyt und weitere Komponenten enthält.
Bei einer begrenzten Kapazität von 500 mAh pro Gramm lief die Zelle unter denselben Strombedingungen etwas mehr als 100 Zyklen; die ausführliche Darstellung nennt 107 Zyklen. Der ursprüngliche englische Text behauptete fälschlich Tausende von Zyklen und jahrelange tägliche Nutzung. Das wurde in der Studie nicht gezeigt. Auch die Sicherheit eines kommerziellen Batteriepacks wurde nicht geprüft.
Potenzial und offene Fragen
CPM erreichte im Vergleich zu mehreren zuvor beschriebenen Katalysatoren eine niedrige Überspannung und lässt sich relativ einfach synthetisieren. Das ist ein Grund für weitere Forschung. Aus einem Laborversuch folgt aber nicht, dass diese Batterie bereits billiger, sicherer, langlebiger oder leichter skalierbar ist als bestehende Produkte. Dafür wären Tests unter realistischen Lasten, sehr viel mehr Zyklen sowie Kosten- und Lebenszyklusanalysen nötig.
Der Einsatz von CO₂ in der Zellreaktion bedeutet keine dauerhafte Kohlenstoffspeicherung. Beim Laden kann das Gas wieder freigesetzt werden; die Klimabilanz hängt außerdem von der Gasquelle, dem Strom und der Materialherstellung ab. Die Studie demonstrierte keine direkte Entnahme von CO₂ aus gewöhnlicher Außenluft. Aussagen über saubere Luft oder Netto-Null-Emissionen gehen über ihre Ergebnisse hinaus.
Der Katalysator könnte einige teure Edelmetallkatalysatoren ersetzen. Die Zelle benötigt dennoch Lithium und andere Rohstoffe; Cäsium und Molybdän haben ebenfalls Lieferketten und Umweltwirkungen. Der Verzicht auf bestimmte Seltene Erden allein beweist keinen niedrigen Preis und keine bessere Umweltbilanz.
Mögliche Anwendungen und Zeitplan
Eine Lithium-CO₂-Zelle könnte künftig für Energiespeicherung in einer Umgebung mit kontrollierter Gasversorgung interessant sein. Der frühere Artikel nannte Haushalte, Fahrzeuge, tragbare Geräte und sogar den Mars sowie eine Markteinführung in ungefähr fünf Jahren. Die vorliegenden Tests belegen weder die dafür erforderliche Leistung, Lebensdauer, Sicherheit und Systemarchitektur noch einen solchen Termin.
Die Surrey-Gruppe möchte weitere Katalysatoren sowie das Zusammenspiel mit Elektroden und Elektrolyten untersuchen. Ein praktisches Produkt müsste die reversible Reaktion über wesentlich mehr Zyklen stabil und zu vertretbaren Gesamtkosten ermöglichen.
Unternehmen im Batteriesektor
Solid Power
Solid Power entwickelt sulfidbasierte Festelektrolyte und vollständig feste Batterien. Das ist eine andere Technologie als die Lithium-CO₂-Zelle der Surrey-Studie. Es gibt keinen Beleg, dass das Unternehmen CPM in seinen Produkten einsetzen wird. Partnerschaften im Batteriesektor zeigen auch nicht, dass diese Forschungsarbeit den Aktienkurs in den nächsten Wochen steigen lässt.
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Fazit
Der CPM-Katalysator zeigte in einer experimentellen Lithium-CO₂-Zelle eine niedrige Überspannung und etwas mehr als 100 kontrollierte Zyklen. Das ist ein wissenschaftlicher Fortschritt. Eine sichere, günstige und klimatisch vorteilhafte Batterie für den Alltag muss jedoch erst noch nachgewiesen werden.
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Studienquelle
Masoudi, M. et al., „Ultralow Overpotential in Rechargeable Li–CO₂ Batteries Enabled by Caesium Phosphomolybdate as an Effective Redox Catalyst“, Advanced Science 12(17), 2502553 (2025). doi:10.1002/advs.202502553.
