Die Lösung zweier Batterie-Herausforderungen mit einem Katalysator auf atomarer Ebene
"Diese Arbeit ist bedeutend, weil sie zwei seit langem bestehende Probleme bei Lithium-Sauerstoff-Batterien mit einem einzigen Material löst"
Lithium-Sauerstoff-Batterien (Li-O₂) sind dank ihrer theoretisch sehr hohen Energiedichte im Begriff, die Energiespeicherung zu revolutionieren. Allerdings haben Leistungsbarrieren sowohl an der Kathode als auch an der Anode ihren praktischen Einsatz verhindert. Eine neue Studie schlägt eine elegante Lösung vor: Nickel (Ni)-Katalysatoren im atomaren Maßstab, die auf stickstoffdotiertem reduziertem Graphenoxid (Ni-N/rGO) verankert sind. Dieses Material mit Doppelfunktion verbessert die Sauerstoffreduktions-/Entwicklungsreaktionen an der Kathode und stabilisiert gleichzeitig das Lithiummetall an der Anode. Die resultierenden Batterien weisen eine beeindruckende Kapazität, eine verlängerte Zykluslebensdauer und eine geringere Polarisierung auf. Durch die Vereinigung von Kathoden- und Anodenverbesserungen in einer einzigen Materialplattform setzt die Arbeit einen neuen Standard für die Entwicklung von leistungsstarken, wiederaufladbaren Li-O₂-Batterien.
Lithium-Sauerstoff-Batterien (Li-O₂) bieten eine mehr als zehnmal höhere Energiedichte als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien, was sie für Elektrofahrzeuge und Netzspeicher attraktiv macht. Sie unterliegen jedoch ernsthaften Einschränkungen: träge Reaktionskinetik an der Kathode und instabiles Lithiummetall an der Anode. Diese Probleme führen zu Kapazitätsschwund, hoher Überspannung und gefährlichem Dendritenwachstum. In der Vergangenheit wurden entweder die Kathode oder die Anode einzeln verbessert, aber ein einheitlicher Ansatz bleibt schwer zu finden. Außerdem können gängige Entladungsprodukte wie Li₂O₂ und Li₂CO₃ die Poren verstopfen und die Leistung beeinträchtigen. Aufgrund dieser anhaltenden Herausforderungen werden dringend neue Materialien und integrierte Strategien benötigt, um Li-O₂-Batterien für den praktischen Einsatz zu entwickeln.
Forscher des Harbin Institute of Technology (Shenzhen) und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz haben ein Katalysatormaterial mit Doppelfunktion entwickelt, das die beiden größten Hindernisse bei der Entwicklung von Li-O₂-Batterien beseitigt. Die Studie, die im Juni 2025 in der Zeitschrift eScience veröffentlicht wurde, stellt einen Atom-Nickel-Katalysator (Ni-N/rGO) mit geringer Belastung vor, der die Kathodenreaktionen verbessert und die Lithiumanode schützt. Das innovative Design verbessert nicht nur die Energieeffizienz und die Zyklusleistung, sondern bietet auch Einblicke in den Ladungstransport und das Lithiumabscheidungsverhalten. Dieser integrierte Ansatz eröffnet neue Möglichkeiten für den Bau langlebiger Li-O₂-Batterien mit hoher Kapazität.
Das Team synthetisierte Nickelstellen im atomaren Maßstab - sowohl einzelne Atome als auch Nanocluster -, die auf stickstoffdotiertem reduziertem Graphenoxid (rGO) dispergiert sind. Das als Ni2-N/rGO bezeichnete Material katalysiert nachweislich sowohl die Sauerstoffreduktion als auch die Sauerstoffentwicklung (ORR/OER) mit außergewöhnlicher Effizienz. Im Vergleich zu herkömmlichen Kathoden erreichte der neue Katalysator eine Entladekapazität von über 16.000 mAh g-¹ und eine stabile Zyklusdauer von 200 Zyklen. Simulationen der funktionalen Dichte-Theorie (DFT) bestätigten, dass benachbarte Ni-Atome die LiO₂-Adsorption verbessern und die Energiebarrieren für die Li₂O₂-Zersetzung senken, was die reduzierte Überspannung (1,08 V) erklärt. Wichtig ist, dass Ni2-N/rGO auch als Schutzschicht für Lithiummetallanoden dient. Wenn sie aufgebracht wird, reduziert sie die Dendritenbildung und Korrosion und verlängert die Lebensdauer der Batterie auf 300 Zyklen unter Hochstrombedingungen. Mikroskopie und Impedanzspektroskopie bestätigten, dass die Schutzschicht die strukturelle Integrität und die reibungslose Li⁺-Migration aufrechterhält. DEMS- und XPS-Analysen bestätigten zudem die Fähigkeit des Materials, reversible Reaktionen ohne parasitäre Nebenprodukte zu ermöglichen. Durch die Lösung wichtiger Probleme an beiden Elektroden zeigt dieser multifunktionale Katalysator, wie atomare Technik die Leistungsgrenzen von Batterien der nächsten Generation neu definieren kann.
"Diese Arbeit ist bedeutend, weil sie zwei seit langem bestehende Probleme bei Lithium-Sauerstoff-Batterien mit einem einzigen Material löst", sagte Dr. Deping Li, Hauptautor der Studie. "Durch die Entwicklung atomar dispergierter Nickelkatalysatoren, die gleichzeitig die Reaktionskinetik der Kathode verbessern und die Lithiumanode stabilisieren, haben wir einen klaren Weg zu praktischen, leistungsstarken Li-O₂-Systemen aufgezeigt. Die Kombination aus Theorie, In-situ-Charakterisierung und realen Zyklustests macht dies zu einem überzeugenden Rahmen für zukünftige Forschung."
Der Ni-N/rGO-Katalysator mit Doppelfunktion stellt eine skalierbare Lösung für die wichtigsten Engpässe bei der Entwicklung von Li-O₂-Batterien dar und ist damit vielversprechend für kommerzielle Energiespeicheranwendungen. Seine Fähigkeit, die Polarisierung zu verringern, Dendriten zu unterdrücken und eine hohe Zyklusrate zu gewährleisten, könnte den Einsatz von Li-O₂-Systemen in Elektrofahrzeugen, tragbarer Elektronik und Netzspeichern beschleunigen. Über Batterien hinaus können die demonstrierten Prinzipien - Materialdesign auf atomarer Ebene, Multifunktionalität und synergistische Elektrodenintegration - Innovationen in den Bereichen Katalyse, Elektrochemie und Materialwissenschaft inspirieren. Künftige Forschungsarbeiten werden Möglichkeiten zur Optimierung der Synthese, zur Kostensenkung und zur Erweiterung der Kompatibilität mit anderen Energiesystemen untersuchen.
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
Originalveröffentlichung
Weitere News aus dem Ressort Wissenschaft
Meistgelesene News
Weitere News von unseren anderen Portalen
Verwandte Inhalte finden Sie in den Themenwelten
Themenwelt Batterietechnik
Die Themenwelt Batterietechnik bündelt relevantes Wissen in einzigartiger Weise. Hier finden Sie alles über Anbieter und deren Produkte, Webinare, Whitepaper, Kataloge und Broschüren.
Themenwelt Batterietechnik
Die Themenwelt Batterietechnik bündelt relevantes Wissen in einzigartiger Weise. Hier finden Sie alles über Anbieter und deren Produkte, Webinare, Whitepaper, Kataloge und Broschüren.
Zuletzt betrachtete Inhalte
Neue Hoffnung für preisgünstige Natrium-Akku - Deutsch-russische Studie weist neue Perspektiven für die Batterieforschung auf
Das blaue Energiewunder aus Dresden - Fraunhofer IKTS stellt tragbare Brennstoffzelle vor
Start für erste Erdöl-Probebohrung in der Niederlausitz
Stefan Filz ist neuer Country Head Germany der TTP Group - Stefan Filz ist in der neuen Position für alle Pharmaplan- und Triplan-Gesellschaften in Deutschland zuständig
ABB eröffnet Kompetenz-Center Life Sciences in Eschborn
filterpresse
rheologie
Ölpreis steigt wegen wachsender Kriegsangst auf neues Jahreshoch
Sartorius und KMI Parexel vereinbaren BioPharma-Allianz
