Mit der raschen Expansion der Märkte für Elektrofahrzeuge und Energiespeichersysteme rückt die Entwicklung von nächsten Generationstechnologien mit höherer Energiedichte als bestehenden Lithium-Ionen-Batterien in den Fokus. Lithium-Luft-Batterien gelten als vielversprechende Lösung, um die Reichweite von Elektrofahrzeugen erheblich zu steigern, da ihre theoretische Energiedichte mehr als das Zehnfache von Lithium-Ionen-Batterien betragen kann.

Die Kommerzialisierung von Lithium-Luft-Batterien steht jedoch vor einer entscheidenden Herausforderung: begrenzte aktive katalytische Stellen für die Sauerstoffreaktion während des Lade- und Entladevorgangs, was zu langsamen Reaktionsgeschwindigkeiten und einer kurzen Zyklenlebensdauer führt. Ein gemeinsames Team unter der Leitung von Dr. Jeong Sohee vom Korea Institute of Science and Technology (KIST) und Dr. Lee Kwang-hee vom Institute for Advanced Engineering (IAE) entwickelte eine neuartige Katalysatortechnologie, die die Oberflächenaktivität des zweidimensionalen Nanomaterials Wolframdiselenid maximiert. Die Studie wurde im Fachjournal „Materials Science and Engineering: R: Reports“ veröffentlicht.

Diese Innovation verbessert gleichzeitig die Leistung und Haltbarkeit von Lithium-Luft-Batterien. Der Kern liegt darin, die gesamte Basisebene des zweidimensionalen Materials – die bisher nur eine geringe Beteiligung an chemischen Reaktionen hatte – in aktive katalytische Stellen umzuwandeln. Das Team verwendete eine Strategie, bei der Platinatome in die geschichtete Struktur von Wolframdiselenid eingebaut werden, wodurch atomare Leerstellen an Stellen mit fehlenden Selenatomen auf der Oberfläche entstehen. Diese Leerstellen dienen als Schlüsselreaktionsstellen, die Sauerstoffmoleküle stark adsorbieren und aktivieren, wodurch die Geschwindigkeit der Sauerstoffreduktions- und Sauerstoffentwicklungsreaktionen deutlich erhöht wird. Die technische Bedeutung liegt in der maximalen Nutzung des Nutzens zweidimensionaler Materialien, indem die gesamte Basisebene in aktive Stellen umgewandelt wird, ohne die Leitfähigkeit zu verringern.

Eine Lithium-Luft-Batterie mit diesem Katalysator zeigte unter schnellen Lade- und Entladebedingungen eine stabile Lebensdauer von über 550 Zyklen. Über einen weiten Bereich von Lade-/Entladeraten von 0,1C bis 3C zeigte sie im Vergleich zu bestehenden, teuren kommerziellen Katalysatoren wie Pt/C und Rutheniumoxid eine überlegene Stabilität und Haltbarkeit. Dies deutet darauf hin, dass selbst unter Hochgeschwindigkeitsladebedingungen das Potenzial für Batterien der nächsten Generation mit minimalem Leistungsabfall besteht.

Diese Errungenschaft stellt einen neuen Designansatz vor, der die strukturellen Grenzen zweidimensionaler Materialien überwindet, indem das gesamte Material als katalytisch aktive Stelle genutzt wird. Es wird erwartet, dass dies dazu beiträgt, die Kosten zu senken und die Leistung von Energieanwendungen wie Lithium-Luft-Batterien, Wasserelektrolyse und Brennstoffzellen zu verbessern. Die Forschung wurde von einem südkoreanischen Team geleitet und erhielt Beteiligung vom US-amerikanischen Lawrence Livermore National Laboratory, was die Glaubwürdigkeit und globale Wettbewerbsfähigkeit stärkt. Das Team plant, die Marktanwendung der Lithium-Luft-Batterietechnologie durch Technologietransfer und kommerzielle Forschungsarbeiten zu verstärken.

Dr. Sohee Jeong vom KIST sagte: „Die Bedeutung dieser Forschung liegt darin, dass sie eine atomar kontrollierte Strategie vorschlägt, die die zuvor ungenutzte Basisebene nutzt und gleichzeitig die strukturellen Vorteile des zweidimensionalen Materials bewahrt.“ Dr. Gwang-Hee Lee vom IAE fügte hinzu: „Sie löst das Hauptproblem der schnellen Lade- und Entladeleistung von Lithium-Luft-Batterien erheblich und beschleunigt den Kommerzialisierungszeitplan für Hochleistungs-Antriebssysteme für mobile Anwendungen.“

Veröffentlichungsdetails: Autoren: National Research Council of Science and Technology; Titel: „Lithium-air batteries break performance barriers thanks to a newly developed 2D catalyst“; veröffentlicht in: „Materials Science and Engineering: R: Reports“ (2026); Zeitschrifteninfo: „Materials Science and Engineering: R: Reports“.