Eine Batterie, die Kohlendioxid bei ihrer Stromabgabe umsetzt, muss beim Laden ihre eigenen Reaktionsprodukte wieder loswerden. Genau daran arbeiten Forschende um Yunyun Xu und Zhong-Shuai Wu am Dalian Institute of Chemical Physics. In einer am 24. Oktober veröffentlichten Studie in Nature Communications berichten sie über eine feste Lithium-CO₂-Laborbatterie mit Kupferstellen auf einem feinen Kohlenstoffgerüst. Die Zelle durchlief 260 Lade- und Entladezyklen über mehr als 1.000 Stunden, jeweils mit begrenzter Entladekapazität.
Interessant ist daran die Lösung eines räumlichen Problems. Stromleitendes Material, Lithium-Ionen und Kohlendioxid müssen an denselben kleinen Reaktionsstellen zusammenkommen. Zugleich dürfen die dort entstehenden Stoffe diese Wege nicht dauerhaft versperren. Das neue Material verbindet deshalb ein durchlässiges Gerüst mit einer ionenleitenden Schicht und winzigen Kupferstellen.
Wo die Reaktion sich selbst den Weg versperrt
In einer Lithium-CO₂-Batterie reagiert Kohlendioxid beim Entladen mit Lithium; dabei entstehen Lithiumcarbonat und Kohlenstoff. Die chemische Reaktion liefert elektrische Energie. Beim anschließenden Laden sollen die Produkte wieder zerlegt werden, sodass der Speicher erneut Strom abgeben kann. Dabei wird auch CO₂ wieder freigesetzt.
Vor allem das Lithiumcarbonat erschwert diesen Kreislauf. Es leitet schlecht und kann die reaktive Oberfläche nach und nach bedecken. In einer Feststoffbatterie kommt hinzu, dass feste Materialien nur dort miteinander reagieren können, wo sie ausreichend Kontakt haben. Das Gas braucht ebenfalls einen Zugang. Die Forschenden gestalten deshalb die Grenzfläche zwischen den beteiligten Stoffen neu.
Ihr Gerüst besteht aus winzigen Kohlenstoffröhrchen auf einem Edelstahlgewebe. Diese Röhrchen leiten Elektronen. Eine lithiumsalzhaltige Schicht auf Basis des organischen Stoffes Succinonitril schmiegt sich an das Gerüst und transportiert Lithium-Ionen, also elektrisch geladene Lithiumteilchen. Über offene Bereiche erreicht das Kohlendioxid die Reaktionszone. Eine zusätzliche feste Keramikschicht trennt die Kathodenseite von der Lithium-Metall-Elektrode und soll diese vor dem Gas schützen.
Warum das Kupfer so fein verteilt ist
Auf den Röhrchen sitzen sowohl einzelne Kupferatome als auch kleine Gruppen davon. Diese Kombination soll die chemischen Zwischenschritte erleichtern. Modellrechnungen der Arbeitsgruppe deuten darauf hin, dass sich die Elektronenverteilung zwischen den beiden Arten von Kupferstellen verändert. Dadurch lassen sich Zwischenprodukte günstiger umsetzen und Carbonat beim Laden leichter abbauen.
Die Arbeitsgruppe untersuchte die Reaktionsprodukte zudem mit mehreren Messverfahren. Dabei nahm das Carbonatsignal beim Laden deutlich ab; die Gasanalysen zeigten die erneute Freisetzung von CO₂. Ein Teil der carbonathaltigen Rückstände blieb jedoch bestehen. Das Material erleichtert damit den wiederholten Betrieb, während der vollständige Rückbau der Ablagerungen eine technische Aufgabe bleibt.
Was die 260 Zyklen bedeuten
Getestet wurden kleine Knopfzellen bei etwa 28 Grad Celsius in einer vorbereiteten CO₂-Atmosphäre. Für den Langzeittest begrenzte das Team die abgegebene Ladung auf 1.000 Milliamperestunden je Gramm Kathodenmaterial. Das entspricht laut Methodenteil 50 Mikroamperestunden je Quadratzentimeter Elektrodenfläche. Ein Zyklus bedeutete somit eine festgelegte Teilentladung mit anschließendem Laden. Diese Testbedingung gehört zur Zahl von 260 Zyklen dazu.
Innerhalb derselben Studie erreichten zwei Vergleichskathoden 142 beziehungsweise 92 Zyklen. Der Abstand macht sichtbar, welchen Unterschied die Materialarchitektur unter diesen Versuchsbedingungen ausmacht. Im Mittelpunkt steht die Verbindung von gut erreichbaren Reaktionsstellen und durchgehenden Transportwegen.
Die nächste Größenordnung wäre eine Zelle, die pro Fläche deutlich mehr Energie umsetzt und dabei ihre Grenzflächen stabil hält. Auch das Gasmanagement gehört zum System: Das CO₂ muss die Kathode erreichen und beim Laden wieder abgeführt oder aufgefangen werden. Für die Einordnung als Speicher ist dieser Kreislauf entscheidend. Die untersuchte Batterie verwendet CO₂ als Reaktionspartner; ihr wiederaufladbarer Betrieb führt das Gas in den Kreislauf zurück.
Quellen
- Yunyun Xu, Dashuai Wang et al.: An integrated cathode-electrolyte architecture with Cu dual active-sites for all-solid-state Li–CO₂ batteries, Nature Communications, 24. Oktober 2026; Originalvolltext mit Methoden.
- Dieselbe Arbeitsgruppe: Supplementary Information, insbesondere Abbildung 16 zum Langzeittest, zur Studie vom 24. Oktober 2026.
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