Natrium-Ionen-Batterie: Fraunhofer ersetzt kritische Rohstoffe durch Holz

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Ein Forschungsteam des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) und der Friedrich-Schiller-Universität Jena nutzen das in Holzresten enthaltene Biopolymer Lignin, um es in einer nachhaltig aufgebauten Natrium-Ionen-Batterie zu verwenden. Das Lignin soll dabei helfen, die deutsche Abhängigkeit von kritischen Rohstoffen für Batterien zu reduzieren und die Batterieproduktion und Batterien umweltfreundlicher zu gestalten. Die Forschungen finden im Rahmen des vom Europäischen Sozialfonds geförderten Projektes "ThüNaBsE" statt.

Lignin ist ein Hauptbestandteil von Holz, das in der Zellwand von Holz vorkommt und bei Bäumen durch Verholzung für eine gewisse Stabilität und Druckfestigkeit sorgt. Rund 20 bis 30 Prozent der Trockenmasse verholzter Pflanzen bestehen aus Lignin. Das Material fällt in großer Anzahl hauptsächlich als Abfallprodukt der Papier- und Zellstoffproduktion an, ist also reichlich verfügbar.

Batteriebestandteile aus Lignin

Lignin besteht zu einem großen Teil aus Kohlenstoffwasserstoff-Bausteinen, die chemisch verwertet werden können. Eine Möglichkeit besteht darin, das Material für die Elektroden von Natrium-Ionen-Batterien einzusetzen. Die Wissenschaftler wollen so zunehmend auf bisher verwendete kritische Metalle verzichten und erproben, inwieweit der Fluoranteil in Elektroden und Elektrolyten verringert oder sogar komplett vermieden werden kann.

Bei ihrer Batterie stellen die Forscher negative Elektroden für die Batterien aus Lignin her. Dazu arbeitet das Fraunhofer IKTS mit der Mercer Rosenthal GmbH zusammen, ein Unternehmen, das auf die Produktion von Zellstoffen spezialisiert ist und Biochemikalien auf Holzbasis herstellt. Das Unternehmen wandelt das Lignin unter Luftausschluss thermisch in Kohlenstoff um. Dieser Kohlenstoff wird dann zu Elektroden verarbeitet.

Am Institut für technische Chemie und Umweltchemie der Friedrich-Schiller-Universität Jena wird das Lignin durch thermische Prozesse in Hard Carbon umgewandelt. Das Material eignet sich dazu, um Natrium-Ionen darin umkehrbar zu speichern. Es weist eine hohe elektrochemische Leistung und eine gute Zyklenstabilität auf.

Auch die positive Elektrode soll gegen eine umweltfreundlichere Variante ersetzt werden. Erstellt wird sie aus Berliner-Blau-Analoga, ungiftigen Eisenverbindungen, die über Natrium-Ionen-Speichereigenschaften verfügen, umweltverträglich und am Markt gut verfügbar sind.

Die Wissenschaftler des IKTS und der Friedrich-Schiller-Universität haben bereits erste Batteriedemonstratoren aus den Materialien gebaut. Derzeit werden die Batterien getestet. "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", sagt Wissenschaftler Dr. Lukas Medenbach vom IKTS Arnstadt.

Mögliche Einsatzgebiete

Eingesetzt werden können diese Batterien später als stationäre oder mobile Speicher. Allerdings lassen sie sich nicht so schnell wieder aufladen. Auch darf der Energie- und Leistungshunger der Verbraucher nicht zu hoch sein. Als Einsatzgebiete nennen die Wissenschaftler kleine Fahrzeuge bis zu 45 km/h und etwa Gabelstapler.

Die Forscher beabsichtigen nach dem Projekt eine weitere Skalierung der Technik. Dann sollen noch mehr Teilnehmer einbezogen werden, um die Technik zur Marktreife zu bringen. Bisher sind neben dem Fraunhofer IKTS, der Friedrich-Schiller-Universität Jena und der Mercer Rosenthal GmbH auch noch Glatt Ingenieurtechnik GmbH, IBU-tec advanced materials AG, EAS Batteries GmbH sowie die Petrochemical Holding GmbH aus Wien beteiligt.

(olb)