Forschende der Universität Leipzig, der Friedrich-Schiller-Universität Jena und der University of Cambridge haben genauer untersucht, wie sich Ionen innerhalb poröser Kohlenstoffelektroden bewegen. Die Ergebnisse liefern neue Einblicke in Prozesse, die für leistungsfähige Energiespeicher, die Wasserentsalzung und weitere elektrochemische Technologien entscheidend sind.

Die Studie wurde in der Fachzeitschrift „Advanced Energy Materials“ veröffentlicht. Das Forschungsteam gestaltete zudem das Titelbild der entsprechenden Ausgabe.

Warum poröse Kohlenstoffelektroden wichtig sind

Poröse Kohlenstoffe besitzen eine große innere Oberfläche, eine hohe elektrische Leitfähigkeit und anpassbare Porenstrukturen. Diese Eigenschaften machen sie für zahlreiche technische Anwendungen interessant.

Die Elektroden bestehen aus einem festen Material mit unterschiedlich großen Hohlräumen. Mikroporen haben einen Durchmesser von weniger als zwei Nanometern. Mesoporen sind zwischen zwei und 50 Nanometern groß.

In diesen Hohlräumen befindet sich ein Elektrolyt. Dabei handelt es sich um eine Flüssigkeit mit beweglichen positiven und negativen Ionen. Ihre Bewegung durch das Porennetzwerk beeinflusst maßgeblich, wie schnell und effizient ein elektrochemisches System arbeiten kann.

Das Problem: Die Poren innerhalb der Elektroden sind nicht gleichmäßig aufgebaut. Ionen bewegen sich daher nicht durch eine einheitliche Struktur, sondern durch eine komplexe und unterschiedlich vernetzte Porenlandschaft.

Forschende beobachten den Austausch von Ionen

Für die Untersuchung nutzte das Team die zweidimensionale NMR-Austauschspektroskopie, auch 2D-EXSY-NMR genannt. Mit diesem Verfahren lässt sich verfolgen, wie Ionen im Laufe der Zeit zwischen verschiedenen lokalen chemischen Umgebungen wechseln.

Nach Angaben des Erstautors Dr. Henry R. N. B. Enninful vom Felix-Bloch-Institut für Festkörperphysik der Universität Leipzig ermöglicht die Methode ein realistischeres Bild der Ionenbewegung als vereinfachte herkömmliche Modelle.

Die Forschenden konnten damit nicht nur feststellen, dass ein Austausch stattfindet. Sie konnten auch untersuchen, wie schnell sich die Ionen zwischen verschiedenen Bereichen bewegen.

Zwei Kohlenstoffstrukturen im Vergleich

Für die Studie verwendete das Forschungsteam wässrige Elektrolyte mit dem Lithiumsalz LiTFSI. Diese ermöglichen den Transport von Lithium-Ionen zwischen den Elektroden.

Die Elektrolyte wurden in zwei unterschiedlichen porösen Kohlenstoffmaterialien untersucht:

CMK-3 besitzt weitgehend eindimensionale, kanalartige Mesoporen.

ST-CMK-3 verfügt dagegen über eine hierarchisch aufgebaute Porenstruktur mit zusätzlichen Verbindungen zwischen unterschiedlichen Porenbereichen.

Die Messungen zeigten verschiedene Formen des Ionenaustauschs. In der Nähe der Oberfläche bewegten sich die Ionen vergleichsweise schnell. Innerhalb tiefer liegender Poren verlief die Diffusion langsamer.

Vernetzte Poren verbessern den Transport

Besonders auffällig waren die Ergebnisse beim hierarchisch strukturierten Kohlenstoff. Dort entdeckte das Team zusätzliche Transportwege zwischen den einzelnen Porenumgebungen.

Diese Verbindungen können den Austausch der Ionen beschleunigen und die Transporteffizienz verbessern. Entscheidend ist damit nicht nur die Größe der einzelnen Poren, sondern auch, wie gut sie miteinander verbunden sind.

Prof. Dr. Rustem Valiullin von der Abteilung Angewandte Magnetische Resonanz der Universität Leipzig erklärte, die Ergebnisse verdeutlichten den Einfluss der Porenvernetzung auf den Ionenaustausch.

Bedeutung für Energiespeicher und andere Technologien

Die Erkenntnisse könnten bei der gezielteren Entwicklung poröser Elektroden helfen. Solche Materialien werden unter anderem in Hochleistungs-Energiespeichern eingesetzt.

Auch für andere Anwendungen sind sie relevant:

  • elektrochemische Wasserentsalzung
  • Gasspeicherung
  • Superkondensatoren
  • elektrochemische Trennverfahren
  • weitere Systeme mit flüssigen Elektrolyten

Bei diesen Technologien hängt die Leistungsfähigkeit davon ab, wie schnell Ionen in das Material eindringen, zwischen Poren wechseln und wieder herausgelangen können.

Eine größere Oberfläche allein reicht daher nicht aus. Die Poren müssen so angeordnet und vernetzt sein, dass der Elektrolyt möglichst effizient durch das Material transportiert wird.

Zusammenarbeit zwischen Sachsen, Thüringen und Cambridge

An der Studie waren Forschende aus Leipzig, Jena und Großbritannien beteiligt. Damit verbindet das Projekt zwei wichtige ostdeutsche Wissenschaftsstandorte mit einer international renommierten Universität.

Leipzig und Jena verfügen über starke Forschungseinrichtungen in den Bereichen Physik, Chemie, Materialwissenschaften und Energie. Die gemeinsame Arbeit zeigt, welche Rolle ostdeutsche Hochschulen bei der Entwicklung neuer Speicher- und Werkstofftechnologien spielen können.

Gerade für die Energiewende gewinnt die Grundlagenforschung an Elektrodenmaterialien an Bedeutung. Leistungsfähigere Speicher werden für Stromnetze, Industrieanlagen, Elektromobilität und dezentrale Energieversorgung benötigt.

Die vorliegende Studie beschreibt zunächst grundlegende Transportvorgänge. Konkrete neue Speicherprodukte oder unmittelbar einsatzbereite technische Verfahren wurden damit noch nicht vorgestellt.

Studie in Fachzeitschrift veröffentlicht

Die Untersuchung erschien unter dem englischen Originaltitel „Asymmetric Multi-Site Ion Exchange in Porous Carbon Electrodes“ in der Fachzeitschrift „Advanced Energy Materials“.

Die Publikation dokumentiert den entwickelten Analyseansatz und die Ergebnisse des Vergleichs zwischen den beiden Kohlenstoffstrukturen. Die DOI der Veröffentlichung lautet 10.1002/aenm.71126.

Das Forschungsteam aus Leipzig, Jena und Cambridge hat gezeigt, wie unterschiedlich sich Ionen innerhalb poröser Kohlenstoffelektroden bewegen. Besonders gut vernetzte Poren können zusätzliche Transportwege schaffen und den Ionenaustausch beschleunigen.

Die Ergebnisse liefern eine Grundlage, um Elektroden für Energiespeicher, Entsalzung und weitere elektrochemische Anwendungen gezielter zu gestalten. Für die praktische Nutzung sind nun weitere Untersuchungen und eine Übertragung auf konkrete technische Systeme erforderlich.

Quelle:
Universität Leipzig: Pressemitteilung „Poröse Kohlenstoffelektroden: Forschende analysieren komplexen Ionentransport“, veröffentlicht am 23. Juli 2026.