Aus CO₂ wird Batterie-Graphit: Forschern gelingt wichtiger Durchbruch

Aus CO₂ könnte Batterie-Graphit werden: Forscher beobachten entscheidende Reaktion erstmals live Kohlendioxid nicht nur speichern, sondern daraus einen wertvollen Rohstoff für Batterien herstellen: Forschende haben erstmals während des laufenden Prozesses beobachtet, wie CO₂ in einer Salzschmelze zu festem Kohlenstoff wird. Das könnte helfen, die Herstellung von Graphit gezielter, effizienter und langfristig klimafreundlicher zu machen.

Was heute als Treibhausgas in der Atmosphäre zum Klimaproblem beiträgt, könnte künftig zumindest teilweise zum Rohstoff werden. Ein internationales Forschungsteam vom Lawrence Berkeley National Laboratory, der University of California Berkeley und dem estnischen National Institute of Chemical Physics and Biophysics hat einen entscheidenden Schritt bei der elektrochemischen Umwandlung von Kohlendioxid in festen Kohlenstoff gemacht.

Die Forschenden konnten erstmals während der laufenden Reaktion beobachten, was auf molekularer Ebene geschieht . Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Ein Fenster in eine bisher kaum sichtbare Reaktion Das Verfahren nennt sich Schmelzsalzelektrolyse . Dabei befindet sich eine Mischung aus Carbonatsalzen in flüssigem Zustand. Elektrischer Strom treibt anschließend chemische Reaktionen an, durch die Kohlendioxid letztlich in festen Kohlenstoff umgewandelt werden kann.

Das Prinzip ist nicht völlig neu. Die entscheidenden Vorgänge während der Reaktion ließen sich bislang allerdings nur schwer direkt untersuchen – unter anderem wegen der aggressiven Salzschmelze und der hohen Temperaturen.

Für die neue Untersuchung entwickelte das Team deshalb eine spezielle Messanordnung, mit der die Elektrolyse bei rund 500 Grad Celsius mittels Raman-Spektroskopie während des Betriebs verfolgt werden konnte. Damit ließ sich gewissermaßen erstmals direkt in die laufende chemische Reaktion hineinsehen.

Das entscheidende Zwischenprodukt ist gefunden Dabei machten die Wissenschaftler eine wichtige Entdeckung: Die Umwandlung läuft offenbar über einen zweistufigen Reaktionsmechanismus , an dem ein Peroxid-Ion beteiligt ist.

Ein solcher Reaktionsweg war bereits Jahrzehnte zuvor theoretisch diskutiert worden. Nun konnte das charakteristische Signal des Peroxid-Zwischenprodukts während der Kohlenstoffbildung unmittelbar nachgewiesen werden.

Besonders interessant: Das Team untersuchte Elektroden aus Wolfram, Nickel, Gold und der Legierung Inconel 600. Bei allen Materialien trat das Peroxid-Signal gemeinsam mit der Kohlenstoffbildung auf. Das spricht dafür, dass dieser Mechanismus unabhängig vom jeweiligen Elektrodenmaterial eine grundlegende Rolle spielt.

Diese Erkenntnis ist mehr als ein chemisches Detail. Wer versteht, wie Kohlenstoff entsteht, kann möglicherweise auch wesentlich gezielter beeinflussen, welche Form von Kohlenstoff am Ende produziert wird.

Vom Klimagas zum gefragten Batterierohstoff Genau darin liegt das langfristige Potenzial der Forschung.

Graphit ist einer der wichtigsten Bestandteile heutiger Lithium-Ionen-Batterien und wird insbesondere als Material für die Anode eingesetzt. Batteriegeeigneter Graphit gilt in der Europäischen Union deshalb als strategischer Rohstoff.

Gleichzeitig ist die weltweite Lieferkette stark konzentriert. Nach Angaben der Internationalen Energieagentur entfielen 2025 mehr als 90 Prozent der weltweiten Produktion von aktivem Anodenmaterial auf China. Auch bei der Verarbeitung von Graphit besitzt China eine dominierende Position.

Ein Verfahren, das Kohlenstoff aus abgeschiedenem CO₂ als Ausgangsmaterial nutzt, könnte deshalb langfristig gleich an mehreren Stellen ansetzen: CO₂ könnte dauerhaft in einem festen Material gebunden werden, während gleichzeitig ein wirtschaftlich wertvoller Rohstoff entsteht und neue regionale Lieferketten möglich werden.

CO₂-Graphit funktioniert bereits in Batterien Dass diese Idee grundsätzlich funktionieren kann, zeigen frühere Forschungen.

Ein Team des Oak Ridge National Laboratory berichtete bereits 2023 über die elektrochemische Herstellung von hochkristallinem Nano-Graphit aus CO₂. Das Material wurde anschließend als Anode in Lithium-Ionen-Batterien getestet und zeigte dabei eine hohe reversible Kapazität, eine lange Lebensdauer sowie gute Eigenschaften beim schnellen Laden.

Der entscheidende Fortschritt der neuen Arbeit liegt deshalb an einer anderen Stelle: Die Forschenden verstehen nun wesentlich genauer, was während der Herstellung geschieht.

Und genau dieses Verständnis könnte dabei helfen, Elektroden, Salzgemische, Temperaturen und Spannungen künftig so einzustellen, dass gezielt bestimmte Kohlenstoffstrukturen entstehen – bis hin zu hochwertigem Batterie-Graphit.

Noch ist es Grundlagenforschung Bis aus der Methode eine großtechnische Graphitfabrik wird, müssen allerdings noch einige Probleme gelöst werden.

Das aktuelle Experiment arbeitete bei etwa 500 Grad Celsius. Das Forschungsteam will deshalb unter anderem untersuchen, welche Kombinationen aus günstigeren Salzen, Elektrodenmaterialien, Temperaturen und Spannungen besonders effizient sind. Außerdem muss gezeigt werden, dass sich das Verfahren zuverlässig auf industriell relevante Produktionsmengen skalieren lässt.

Auch die Herkunft der benötigten Energie ist entscheidend: Die Umwandlung von CO₂ in Kohlenstoff benötigt Energie. Einen echten Klimavorteil kann die Technologie deshalb insbesondere dann entfalten, wenn diese Energie aus emissionsarmen Quellen stammt. Die Studie verweist darauf, dass CO₂-basierte Kohlenstoffprodukte bei entsprechend sauberer Energieversorgung über ihren Lebenszyklus eine negative CO₂-Bilanz erreichen könnten.