Durchbruch bei Lithium-CO₂-Batterien: Kohlenstoffbindung bei der Stromversorgung von Geräten

Ingenieure der University of Surrey haben eine Lithium-CO2-Batterie vorgestellt, die im Normalbetrieb Kohlendioxid aus der Luft filtert. Das verbesserte Batteriedesign hat das Potenzial, seine Vorgänger zu übertreffen und gleichzeitig zur Bekämpfung von Umweltverschmutzung und Klimawandel beizutragen. Hier erfahren Sie alles Wissenswerte.

Warum Lithium-Ionen-Batterien bei grüner Energie nicht ausreichen

Die Zukunft ist kabellos, und Hersteller wissen, dass Bedarf an sauberen Batterielösungen besteht. Die heute am häufigsten verwendeten Batterien sind Lithium-Ionen-Batterien. Diese Batterien finden sich in Alltagsgeräten wie Mobiltelefonen, Elektrofahrzeugen und Smartwatches. Lithium-Ionen-Batterien bieten eine gute Dichte, viele Ladezyklen und sind erschwinglich. Sie sind jedoch nicht nachhaltig und stellen weltweit eine große Umweltverschmutzung auf Mülldeponien dar.

Die wichtigsten Herausforderungen bei Lithium-Ionen-Batterien: Sicherheit, Kosten und Abfall

Lithium-Ionen-Batterien weisen mehrere Probleme auf, die ihre Effektivität und Effizienz einschränken. Zum einen erfordern sie teure Seltenerdmaterialien. Ressourcen wie Platin sind schwer zu beschaffen und verteuern den Herstellungsprozess erheblich. Zudem ist die Nachfrage nach Seltenen Erden zu einem Sicherheitsrisiko für Länder geworden, die nun versuchen, ihre Versorgung mit diesen wichtigen Rohstoffen sicherzustellen.

Lithium-Ionen-Akkus weisen zudem eine geringe Zyklenlebensdauer auf. Konstruktionsbedingt kommt es bei jedem Ladezyklus zu einem gewissen Verlust. Daher sinkt die Leistung von Lithium-Ionen-Akkus mit jedem Zyklus. Zudem sind sie sehr teuer in der Entsorgung und können bei unsachgemäßer Ladung oder thermischem Durchgehen ein Sicherheitsrisiko darstellen.

Beim thermischen Durchgehen überhitzen Lithium-Ionen-Batteriezellen, wodurch auch umliegende Zellen überhitzen. Die Folge ist eine massive Kernschmelze, die Brände oder sogar Explosionen auslösen kann. Die dabei entstandenen Schäden sind gut dokumentiert. Eine einfache Suche zeigt eine lange Geschichte von Lithium-Ionen-Batteriebränden weltweit.

Überpotenzial

Ein weiteres Problem für Nutzer von Lithium-Ionen-Akkus ist die Überspannung. Dieser Begriff bezeichnet die Energiemenge, die zum Starten einer chemischen Reaktion und zum Laden des Akkus benötigt wird. Lithium-Ionen-Systeme leiden unter hoher Überspannung. Dank einiger findiger Wissenschaftler soll sich dies jedoch bald ändern.

Was sind Lithium-CO₂-Batterien und wie funktionieren sie?

Lithium-CO2-Batterien haben sich als attraktive Alternative erwiesen. Diese wiederaufladbaren Batterien nutzen CO2-Gas als Energieträger. Diese Struktur bietet einige wichtige Vorteile wie verbesserte Leistung, höhere Kapazität und sauberere Luftqualität. Daher sind viele überzeugt, dass Lithium-CO2-Batterien der beste Schritt sind, um künftig Netto-Null-Kohlenstoffemissionen zu erreichen.

Nachteile aktueller Lithium-CO2-Batterien

Einer der Hauptnachteile der derzeitigen Verwendung von Li-CO2-Batterien ist der Mangel an zuverlässigen und kostengünstigen Katalysatoren. Ingenieure haben daher eine neue Version entwickelt, die neueste Erkenntnisse aus Materialwissenschaft und Computermodellierung integriert. Der neue Ansatz verspricht, zwei Probleme gleichzeitig zu lösen: Energieverbrauch und Luftqualität.

Bahnbrechende Studie der University of Surrey zu Lithium-CO₂-Batterien

Die Studie¹"Ultraniedrige Überspannung in wiederaufladbaren Li–CO2-Batterien durch Cäsiumphosphomolybdat als effektiven Redoxkatalysator”, veröffentlicht in Advanced Science, befasst sich mit „Atmen„Batterien. Diese Geräte nutzen CO2, um mit einem speziell entwickelten Katalysator zu interagieren und so einen sauberen Energiekreislauf zu schaffen.

Lithium-CO2-Batterien demontiert

Im Rahmen ihres Prozesses entwickelten die Ingenieure mehrere Li-CO2-Batterien mit unterschiedlichen Katalysatoren. Anschließend unterzogen sie die Batterien Tausenden von Ladezyklen, was jahrelangem täglichen Gebrauch entspricht. Nach Ablauf der Zyklen zerlegten sie die Einheiten, um die Vorgänge hinsichtlich Degradation, Ablagerungen und anderer leistungsbegrenzender Faktoren besser zu verstehen. Insbesondere stellte das Team fest, dass sich Lithiumcarbonat-Ablagerungen bildeten, die sich leicht entfernen ließen, um den Ladezyklus der Batterie zu verbessern.

Quelle - Surrey School of Chemistry and Chemical Engineering und Advanced Technology Institute

Computermodell für Lithium-CO2-Batterien

Die Forscher nutzten die Daten aus ihren Experimenten, um ein präzises Computermodell zu erstellen. Das Modell nutzt die Dichtefunktionaltheorie (DFT), um kritische Details und Veränderungen vorherzusagen. Das Modell verbesserte die Fähigkeit des Teams, Gedankenexperimente durchzuführen und half ihm, die Gesamtkosten zu senken und gleichzeitig die Testkapazitäten zu erweitern. Ziel war es, mithilfe des Modells das beste Material für eine stabile, poröse Struktur zu finden, die die chemischen Reaktionen unterstützt, die Lithiumbatterien zum Funktionieren bringen.

Cäsiumphosphomolybdat (CPM)

Nach einigen Tests stellten die Ingenieure fest, dass Cäsiumphosphormolybdat (Cs3PMo12O40, CPM) eine vielversprechende Option darstellte. Sie setzten CPM als Katalysator in Li-CO2-Batterien ein und führten anschließend mehrere Tests durch. Zur Herstellung des CPM synthetisierten sie die Katalysatoren und beschichteten eine Kathode.

Das Material erwies sich als ideal, da es viele elektroaktive Stellen und eine sauerstoffangereicherte Oberfläche aufwies. Darüber hinaus verfügt der Verbundwerkstoff über eine einzigartige mesoporöse Morphologie, die seine Haltbarkeit und Leistung während der Ladezyklen erhöht. Dadurch verbrauchen diese Batterien im Vergleich zu ihren Vorgängern weniger Energie zum Aufladen.

Diese CPM-Pore ist ideal, da sie die effiziente Diffusion von CO2-Molekülen und Li+-Ionen zu den aktiven Zentren unterstützt. Darüber hinaus dienen die Poren der Aufnahme von Entladungsprodukten. Bemerkenswert ist, dass die kristallinen Strukturen nur 140 nm groß sind.

Pulverröntgenbeugung (PXRD)

Die Ingenieure überprüften die Kristallgitterstruktur und Zusammensetzung des synthetisierten CPM-Katalysators mithilfe der Pulverröntgenbeugungsmethode. Dabei werden Röntgenstrahlen auf die Struktur fokussiert und deren Beugungsmuster analysiert.

Fourier-Transformations-Infrarot (FTIR)

Der nächste Schritt bestand darin, zu bestimmen, welche Energie durch die Prozesse absorbiert oder abgegeben wurde. Die Ingenieure nutzten hierfür die Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie. Das Team stellte während des Prozesses die Anwesenheit der Keggin-Partikel fest, was mit den Vorhersagen ihres Computermodells übereinstimmte.

Keggin-Einheiten

Das Team investierte viel Zeit, um herauszufinden, ob in die Oberfläche ihrer Kreation Keggin-Einheiten integriert waren. Keggin-Einheiten bezeichnen ein kristallines Gerüst, das für seine Robustheit und strukturelle Stabilität bekannt ist. Es ist der ideale Aufbau für Batterien, da es seine Struktur während des Ladevorgangs behält.

Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS)

Das Team nutzte die Röntgen-Photoelektronenspektroskopie, um den chemischen Zustand des Katalysators während und nach dem Prozess besser zu verstehen. Sie bestimmten die Elementzusammensetzung der Oberfläche genau und passten sie an, um die Leistung und Lebensdauer der Batterie zu optimieren.

Thermogravimetrie (TG)

Im nächsten Schritt wurde ermittelt, ob Feuchtigkeit in das System eindrang oder als Nebenprodukt entstand. Die Forscher nutzten Thermogravimetrie, um den Wassergehalt des CPM-Verbundwerkstoffs zu bestimmen. Der Test zeigte, dass das neue Design die Entwicklung von Batterien mit hoher Dichte unterstützen könnte.

Lithium-CO2-Batterietest

Eine Reihe von Laborexperimenten half den Ingenieuren, ihre Vorhersagen zu überprüfen. Das Team führte sowohl physikalische als auch Computersimulationen durch, um die elektrokatalytische Fähigkeit des CPM-Katalysators zur Verbesserung der CRR/CER-Kinetik zu bewerten. Sie stellten fest, dass seine Struktur einige einzigartige Eigenschaften aufweist, die ihn ideal für den Einsatz als Katalysator machen.

Testergebnisse für Lithium-CO2-Batterien

Die Testergebnisse waren aufschlussreich. Die neue Batteriestruktur funktionierte störungsfrei. Das Team führte 100 Zyklen bei 50 mA g−1 mit einer Kapazitätsbegrenzung von 500 mAh g−1 durch. Sie stellten fest, dass das Gerät mehr Energie speichern konnte und einfacher zu laden war als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien. Beeindruckenderweise zeigten die verbesserten Batterien eine hervorragende Entladekapazität von 15440 mAh g−1 bei 50 mA g−1 und einer Coulomb-Effizienz von 97.3 %. Darüber hinaus lieferte der Katalysator eine geringe Überspannung von 0.67 V.

Diese Daten zeigten, dass das neue Design deutlich effektiver war als der herkömmliche Katalysator. Insbesondere bietet es eine höhere Entlade-Ladekapazität und ein geringeres Überspannungspotenzial. Darüber hinaus unterstützt das Li-CO2-Batteriedesign eine lange Stabilität von 107 Zyklen bei 50 mA g−1 bei einer begrenzten Kapazität von 500 mAh g−1.

Die wichtigsten Vorteile von Lithium-CO₂-Batterien für saubere Energie

Lithium-CO2-Batterien bieten dem Markt viele Vorteile. Sie bieten Nutzern eine saubere Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien, die weiterhin auf Mülldeponien landen. Dieser neue Ansatz reduziert gleichzeitig Abfall und Treibhausgasemissionen und eröffnet der Batterieindustrie die Möglichkeit, deutliche Verbesserungen vorzunehmen und gleichzeitig die Umweltverschmutzung zu reduzieren.

Höhere Kapazität

Der Bericht zeigt, dass Lithium-CO2-Batterien eine höhere Kapazität als ihre Vorgängermodelle bieten. Zudem weisen sie eine deutlich geringere Überspannung auf, sodass sie deutlich weniger Energie zum Laden benötigen. Der weniger intensive Ladevorgang verlängert die Lebensdauer der Batterie, ohne ihre Leistung zu beeinträchtigen.

Lithium-CO2-Batterien sind günstiger.

Ein weiterer Grund für den plötzlichen Zustrom von Lithium-CO2-Batterien bei Batterieherstellern und -verbrauchern ist der günstigere Herstellungsprozess. Kombiniert man die geringeren Herstellungskosten mit den geringeren Emissionen, erscheint die Lithium-CO2-Alternative als praktische Möglichkeit zur Speicherung sauberer Energie.

Lithium-CO2-Batterien sind skalierbarer

Die Forscher stellten sicher, dass ihre Arbeit den Bedürfnissen der Bevölkerung gerecht wird. Es besteht eine enorme Nachfrage nach sauberen Energieoptionen für tragbare Geräte. Die Ingenieure sehen in der Batterieentwicklung eine kostensparende Lösung mit dem zusätzlichen Vorteil, dass sie CO2, ein schädliches Treibhausgas, bindet.

Lithium-CO2-Batterien sind effizienter.

Die Effizienz ist ein weiterer Vorteil von Lithium-CO2-Batterien gegenüber anderen Batterielösungen. Diese Stromversorgungen der nächsten Generation werden in einer Vielzahl von Anwendungsfällen effizient arbeiten können. Die Einheiten bieten mehr Energiekapazität und können skaliert werden, um sicherzustellen, dass sie optimal auf die jeweilige Anwendung abgestimmt sind.

Keine Seltenerdmetalle

Seltene Erden sind eine begrenzte Ressource, deren Wert stetig steigt. Es gibt bereits umfangreiche Zölle und andere Gesetze, um den Zugang der Supermächte zu Seltenen Erden zu schützen. Die Entscheidung der Ingenieure, bei der Batterieentwicklung auf diese Mineralien zu verzichten, könnte einer der Hauptgründe für den Erfolg dieser Technologie sein.

Reale Anwendungen von Lithium-CO₂-Batterien und wann sind sie zu erwarten?

Es gibt viele Anwendungsmöglichkeiten für umweltfreundlichere Batterien. Die Welt braucht saubere Alternativen, um die wachsende Zahl täglich genutzter drahtloser Systeme mit Strom zu versorgen. Lithium-CO2 könnte eines Tages Ihr Haus, Ihr Auto und Ihre Geräte mit Strom versorgen und gleichzeitig dazu beitragen, schädliche Treibhausgase zu reduzieren.

Raumfahrt

Die Raumfahrt ist ein weiteres Anwendungsgebiet dieser Technologie. Wissenschaftler suchen ständig nach Möglichkeiten, die Erforschung des Weltraums und anderer Welten zu unterstützen, und müssen daher neue Antriebsoptionen erforschen. Diese neueste Entwicklung bietet entscheidende Vorteile: Sie könnte auf fernen Planeten wie dem Mars eingesetzt werden, da dessen Atmosphäre zu 95 % aus CO₂ besteht.

Zeitleiste für Lithium-CO2-Batterien

Es könnte etwa fünf Jahre dauern, bis CO5-Batterien den Weg zum Verbraucher finden. Die Technologie ist vorhanden, aber das Team muss noch den besten Ansatz finden, um seine Erfindung auf den Markt zu bringen. Insbesondere die wachsende Nachfrage nach Netto-Null-Kohlenstoff-Verpflichtungen könnte diesen Zeitplan beschleunigen und dazu beitragen, die Integration von Lithium-CO2-Optionen zu einer Priorität zu machen.

Forscher für Lithium-CO2-Batterien

Die Studie zu Lithium-CO2-Batterien wurde von der School of Chemistry and Chemical Engineering und dem Advanced Technology Institute in Surrey durchgeführt. In der bahnbrechenden Arbeit werden Siddharth Gadkari und Daniel Commandeur als Co-Autoren der Studie genannt. Sie erhielten Unterstützung von Mahsa Masoudi, Neubi F. Xavier Jr., James Wright, Thomas M. Roseveare, Steven Hinder, Vlad Stolojan, Qiong Cai und Robert CT Slade.

Lithium-CO2-Batterien Zukunft

Das Team möchte weitere Materialien und die Wechselwirkung dieser Katalysatoren mit Elektroden und Elektrolyten genauer untersuchen. Darüber hinaus will es Keggin-artige Polyoxometallate als bifunktionalen Redoxkatalysator weiter erforschen. Diese Schritte könnten dazu beitragen, wichtige Aspekte des Designs zu verbessern, darunter die reversible Zyklisierung wiederaufladbarer Li-CO2-Batterien.

Investitionen im Batteriesektor

Auf dem Batteriemarkt sind zahlreiche Unternehmen aktiv. Das Spektrum reicht von namhaften Herstellern über kostengünstige Alternativen bis hin zu Nachahmerprodukten. Die Nachfrage nach hochwertigen Batterien ist ungebrochen hoch. Hier ist ein Batteriehersteller, der weiterhin auf Erfolgskurs ist und künftig Lithium-CO1-Batterien in seine Produkte integrieren könnte.

Solide Kraft

Solide Kraft (SLDP ) Solid Power ist seit 2011 auf dem Markt und hat seinen Hauptsitz in Colorado. Ziel des Unternehmens ist die Entwicklung leistungsstarker Alternativen zu Festkörperbatterien. Seit seiner Einführung hat Solid Power erheblichen Zuspruch und Wachstum am Markt erfahren. Dieses Wachstum ist vor allem auf die Innovationskraft und die einzigartigen Produkte zurückzuführen, die flüssige Elektrolyte durch Sulfid-Feststoff-Elektrolyte ersetzen. Dieser Ansatz reduziert das Risiko von Bränden und thermischem Durchgehen.

Solid Power unterhält mehrere strategische Partnerschaften mit Elektrofahrzeugherstellern. Diese Partnerschaften sollen Innovationen vorantreiben und dem Markt helfen, sicherere und effizientere Alternativen zu finden. Das Unternehmen arbeitet bereits mit verschiedenen Herstellern aus verschiedenen Branchen zusammen, darunter dem Medizin- und Fertigungssektor.

Wer eine solide Batterieaktie mit Wachstumspotenzial sucht, sollte SLDP genauer unter die Lupe nehmen. Die Partnerschaften und Produkte des Unternehmens begeistern viele Analysten. Zudem steigt die Nachfrage nach den Dienstleistungen, was in den kommenden Wochen zu einem Kursanstieg führen könnte.

Aktuelle Nachrichten und Entwicklungen zur Solid Power (SLDP)-Aktie

Lithium-CO2-Batterien – Saubere Energie für unterwegs

Lithium-CO2-Batterien könnten Ingenieuren helfen, die Brandgefahr und die Schäden durch das thermische Durchgehen von Lithium-Ionen-Batterien zu verringern. Diese Batterien sind allgegenwärtig, und ihr Ersatz durch eine sicherere und effizientere Alternative könnte einem großen Teil der Bevölkerung helfen. Hersteller und Ingenieure investieren daher weiterhin Zeit, Geld und Mühe in die Verbesserung moderner Batterien. Glücklicherweise unterstützt dieses neueste Produkt diese Bemühungen und trägt gleichzeitig zur sauberen Energieerzeugung bei.

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Zitierte Studien:

^{1. Masoudi, M., Xavier Jr, NF, Wright, J., Roseveare, TM, Hinder, S., Stolojan, V., Cai, Q., Slade, RCT, Commandeur, D. & Gadkari, S. (2025). Ultraniedrige Überspannung in wiederaufladbaren Li-CO₂-Batterien, ermöglicht durch Cäsiumphosphomolybdat als effektiven Redoxkatalysator. Advanced Science, 12(17), 2502553. https://doi.org/10.1002/advs.202502553}