Materialchemiker des Fachbereichs Chemie und Physik der Materialien an der Universität Salzburg haben eine innovative Syntheseroute zur Herstellung eisenbeladener Carbon-Spherogele (Kohlenstoff-Hohlkugeln) entwickelt. Das neuartige Verfahren erlaubt es, Eisen gezielt und homogen in ein hochporöses, leitfähiges Kohlenstoffgerüst zu integrieren und eröffnet damit neue Perspektiven für nachhaltige Elektrodenmaterialien in Lithium-Ionen-Batterien – ganz ohne den Einsatz kritischer Metalle wie Kobalt oder Nickel. Die Forschungsergebnisse wurden im renommierten Fachmagazin „Chemistry of Materials“ der Amerikanischen chemischen Gesellschaft veröffentlicht.
Kern der Entwicklung ist ein nasschemisches Syntheseverfahren, das mit einem eisenorganischen Präkursor kombiniert wird. „Unser Ziel war es, eine Synthese zu entwickeln, die strukturelle Kontrolle, Materialhomogenität und Skalierbarkeit vereint“, erklärt Michael S. Elsaesser von der Uni Salzburg. „Durch die Kombination aus Templat-Synthese und Sol-Gel-Chemie können wir die Architektur des Materials gezielt einstellen. Das macht die Synthese nicht nur wissenschaftlich interessant, sondern auch relevant für eine spätere industrielle Umsetzung.“
In einem mehrstufigen Prozess werden zunächst monodisperse Polystyrol-Nanosphären hergestellt, die als temporäre Strukturgeber dienen. Eisen(II)-lactat, als völlig ungiftige Vorstufe, wird anschließend gezielt in das System eingebracht und lagert sich während der Gelbildung gleichmäßig an. Nach überkritischer CO2-Trocknung und einer abschließenden Wärmebehandlung unter Inertgas entsteht ein monolithisches Carbon-Spherogel mit hohlen Kugelstrukturen, mikroporösen Kohlenstoffschalen und fein verteilten Eisen-Nanopartikeln.
„Ein entscheidender Vorteil unserer Syntheseroute ist ihre hohe Flexibilität“, betont Saeed Borhani. „Der Eisenanteil lässt sich über den Präkursor gezielt einstellen, ohne dass die mechanische Stabilität oder die poröse Struktur des Kohlenstoffnetzwerks verloren geht.“ Dadurch könne das Material optimal an unterschiedliche elektrochemische Anforderungen angepasst werden.
Die elektrochemische Performanz wird im Rahmen eines transnationalen Projekts (FWF/DFG) von Experten der Universität des Saarlandes und des INM-Leibniz Instituts für Neue Materialien in Saarbrücken untersucht. „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 Kohlenstoffporen gefüllt und seine maximale Speicherkapazität erreicht“, erklären Stefanie Arnold und Volker Presser aus Saarbrücken.
Es warten aber auch noch spannende Aufgaben für die Zukunft: die mit Eisenoxid gefüllten Kohlenstoffhohlkugeln stellen erst die eine Elektrode in den Batterien dar. Um eine Vollzelle zu bekommen, muss noch eine passende Gegenelektrode entwickelt werden. „Wir sind zuversichtlich, dass es gelingt, damit Zwischenspeicher für regenerativen Energien auf umweltfreundliche Weise zu betreiben“, so Volker Presser.
[Quelle: Universität Salzburg, Pressemeldung vom 10.2.2026]