Mehr Unabhängigkeit in der Batterieproduktion
Heute dominieren Lithium-Ionen-Batterien den Markt. Lithium wird etwa in Chile und Argentinien aus Salzlaken unter hohem Wasserverbrauch gefördert oder in Australien aus Hartgestein mit großem Energieeinsatz gewonnen. »Deutschland ist hier stark abhängig von internationalen Handelsbeziehungen«, sagt Medenbach. »Lithium wird zwar nicht morgen knapp werden, aber es ist ein teurer, konfliktreicher und strategisch sensibler Rohstoff.«
Lignin dagegen ist gut verfügbar. Es kommt regional vor, ist biobasiert und erneuerbar. Auch Natrium muss nicht aufwendig abgebaut werden. Als Bestandteil von Kochsalz gehört es zu den am besten verfügbaren Elementen der Erde. Die etwas geringere Energie- und Leistungsdichte von Natrium-Ionen-Batterien begrenzt zwar bestimmte Anwendungen, macht diese aber zugleich zu günstigen und robusten Speichern – überall dort, wo Versorgungssicherheit wichtiger ist als maximale Leistung.
»Unser Projektpartner, Prof. Martin Oschatz und sein Team vom Institut für Technische Chemie und Umweltchemie der Universität Jena, erhitzt das Lignin unter Ausschluss von Sauerstoff«, erklärt Medenbach. »Dabei werden Wasserstoff und Sauerstoff aus dem Material entfernt. Was übrig bleibt, ist ein Kohlenstoff mit einer speziellen Struktur.« Dieser sogenannte Hard Carbon ist extrem fest, aber innerlich ungeordnet – mit Hohlräumen und Zwischenräumen. Genau diese Struktur eignet sich für die großen Natrium-Ionen: Sie lagern sich ein und lassen sich wieder aus der Struktur entfernen – eine Grundvoraussetzung für wiederaufladbare Batterien.
Damit Natrium-Ionen-Batterien perspektivisch in Serie gehen können, braucht es allerdings gleichbleibende Qualität. Biogene Rohstoffe schwanken qualitativ – je nach Holzart, Wachstum oder Witterung. »Die größte Herausforderung ist die Reproduzierbarkeit«, sagt Dr. Lukas Medenbach. »Wenn sich die Eigenschaften von Charge zu Charge ändern, wird es für Batterien problematisch.« Im Projekt ThüNaBsE kommt deshalb Lignin zum Einsatz, das der Industriepartner Mercer Rosenthal GmbH mit einem patentierten Verfahren besonders rein und konstant herstellt. Erst danach beginnt die eigentliche Verarbeitung zur Batterie: Carbonisierung, Zerkleinerung in Hochleistungsmühlen, Mischung mit leitfähigen Zusätzen und einem ebenfalls biobasierten Bindemittel. Am Ende entsteht eine negative Elektrode – und schließlich eine komplette Natrium-Ionen-Zelle im Labormaßstab.
Lignin wird dabei bewusst nur in der Anode eingesetzt. Dort ist die Speicherkapazität des Hard Carbons gefragt. Für die positive Elektrode braucht es hingegen Materialien, die Natrium-Ionen bei höherem elektrischen Potenzial stabil aufnehmen können. Hier setzen die Forschenden auf Berliner-Blau-Analoga: ungiftige Eisenverbindungen, die bereits vor rund 200 Jahren als Pigmente verwendet wurden. Sie sind gut verfügbar, umweltverträglich und speichern Natrium-Ionen zuverlässig. Auf kritische Metalle wie Kobalt oder Nickel verzichtet das Team bewusst, auch der Fluoranteil in Elektroden und Elektrolyt soll möglichst niedrig bleiben.
Umweltfreundlicher Energiespeicher aus lokal verfügbaren Ressourcen
Auch wenn eine Serienproduktion ligninbasierter Natrium-Ionen-Batterien noch in der Zukunft liegt, ist das Projekt bereits deutlich mehr als ein reiner Laborversuch. Es zeigt, wo solche Stromspeicher eines Tages sinnvoll eingesetzt werden könnten: überall dort, wo Gewicht und maximale Energiedichte zweitrangig sind – in stationären Speichern, die Wind- und Solarstrom puffern, in Gabelstaplern und Flurförderzeugen mit klaren Einsatzprofilen oder in Microcars für kurze Distanzen.
Derzeit entstehen erste Kleindemonstratorzellen im Batterietestzentrum des Fraunhofer IKTS in Arnstadt, am Standort Hermsdorf sowie an der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Ergänzt werden die Experimente durch realitätsnahe Simulationen. Die Ergebnisse stimmen optimistisch: »Nach 100 Lade- und Entladezyklen zeigt die Laborzelle bislang kaum Alterung«, sagt Medenbach. Bis zum Projektende sollen 200 Zyklen für eine 1-Ah-Vollzelle erreicht werden.
»Wir wollen beweisen, dass man Batteriewertschöpfung auch regional denken kann«, sagt Dr. Lukas Medenbach. Dass Rohstoffe nicht zwingend aus fernen Minen kommen müssen, sondern auch aus bestehenden industriellen Kreisläufen stammen können. Und dass Materialien aus der Bioökonomie mehr sind als ein Nachhaltigkeitsversprechen – nämlich technisch belastbar.
Fraunhofer-Gesellschaft
