Werkstoffe Batteriezellen mit Rohstoffen aus der Holzindustrie

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Lingin könnte eine preiswerte Option sein für ressourcenschonende Batterien. Der Rohstoff ist ein Nebenprodukt der Holz- und Zellstoffindustrie.

Natrium-Ionen-Batterien auf Basis lokal verfügbarer und umweltfreundlicher Materialien sind ein vielversprechender Ansatz für eine bezahlbare Energiewende. Am Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS verwenden Forscherinnen und Forscher das Biopolymer Lignin für eine neuartige Natrium-Ionen-Batterie.

Lignin ist ein Hauptbestandteil von Holz und verleiht diesem seine Stabilität. Als Koppelprodukt der Papierindustrie wird es bisher zur Energieerzeugung verbrannt. Es besteht laut des Instituts überwiegend aus Kohlenwasserstoff-Bausteinen, „die sich sinnvoll in der Chemie verwenden lassen – etwa als Elektrodenmaterial für Batterien“. Im Projekt soll der biobasierte Rohstoff an der negativen Elektrode verwendet werden.

Akkus ohne kritische Metalle

„Wir wollen in der Wertschöpfungskette auf kritische Metalle wie Lithium, Kobalt und Nickel in Batterien verzichten“, beschreibt Lukas Medenbach, Wissenschaftler am Fraunhofer IKTS. Außerdem wollen die Forscher den Fluoranteil in Elektroden und Elektrolyt möglichst niedrig halten und erproben, ob es auch ohne geht.

Kern des Vorhabens ist laut Medenbach aber das Verarbeiten von lokal verfügbarem, hochwertigem Lignin zu leistungsfähigen Elektroden in Natrium-Ionen-Batterien. Am Projekt beteiligt ist außerdem die Friedrich-Schiller-Universität Jena.Die Partner entwickeln und evaluieren gemeinsam die neue Natrium-Ionen-Batterie mit Lignin – vom Material bis hin zur 1-Ah-Vollzelle.

Test erster Demozellen

Aktuell bauen und testen die Forscher erste Kleindemonstratorzellen. Diese begleiten sie mit realitätsnahen, multiphysikalischen Simulationen. Die Ergebnisse sind vielversprechend: „Die Laborzelle ist nach 100 Lade- und Entladezyklen noch nicht stark degradiert. Ziel ist es, zum Projektabschluss 200 Lade- und Entladezyklen für die 1-Ah-Vollzelle nachzuweisen“, erklärt Lukas Medenbach.

Für die positive Elektrode verwenden die Wissenschaftler „Berliner-Blau-Analoga“, ungiftige Eisenverbindungen. Die Substanz wurde bereits vor circa 200 Jahren als Pigment eingesetzt – und verfügt über gute Rohstoffverfügbarkeit, Umweltverträglichkeit und Natrium-Ionen-Speichereigenschaften.

Dafür eignet sich der neuartige Akku

Die fertig entwickelte Batterie könnte laut Fraunhofer IKTS als stationärer oder mobiler Speicher dort verwendet werden, wo es weniger um Ladezeiten geht. Das sind etwa mobile Anwendungen mit geringerem Leistungsbedarf: Microcars, bekannt als „45 km/h-Autos“, oder Flurförderfahrzeuge wie Gabelstapler.

So wird Lingin für Batterien verarbeitet

Das Lignin wird für den Einsatz in der Batterie unter Luftausschluss thermisch in Kohlenstoff umgewandelt, der dann zur Elektrode weiterverarbeitet wird. „Unsere Projektpartner vom Institut für technische Chemie und Umweltchemie der Friedrich-Schiller-Universität Jena um Prof. Martin Oschatz verarbeiten das Lignin durch thermische Prozesse zu sogenanntem Hard Carbon weiter“, beschreibt Cornelius Dirksen, ebenfalls Wissenschaftler am Fraunhofer IKTS.

„Die Struktur dieses harten Kohlenstoffs eignet sich sehr gut, um Natrium-Ionen reversibel, also umkehrbar, zu speichern. Hard Carbon bietet eine hohe elektrochemische Leistung, gute Zyklenstabilität und geringe Anschaffungskosten, insbesondere wenn er aus nachhaltigen Rohstoffen gewonnen wird.“

Weitere Unternehmen begleiten die Forschung

Ein Industriebeirat überwiegend regionaler Firmen begleitet die Forschung. Dazu gehören die Thüringer Unternehmen Mercer Rosenthal, Glatt Ingenieurstechnik, IBU-Tec Advanced Materials, EAS Batteries und die Petrochemical Holding aus Wien.

Zweites Ziel des Projekts ist es, Nachwuchs in Thüringen zu fördern. Entsprechend sind am Projekt junge Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beteiligt, die zu den Themen Energie und Batterieforschung promovieren.

Der Freistaat Thüringen und der Europäische Sozialfonds fördern das Projekt „ThüNaBsE“, „Thüringer Natrium-Ionen-Batterie für die skalierbare Energiespeicherung“.

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