Angesichts des wachsenden Bedarfs an Energiespeichern für die Energiewende sind kostengünstige, sichere und ressourcenschonende Batterietechnologien dringend erforderlich. Natrium-Ionen-Batterien auf Basis lokal verfügbarer und umweltfreundlicher Materialien bieten hier einen vielversprechenden Ansatz. Fraunhofer-Forschende und ihre Projektpartner nutzen Lignin – ein Nebenprodukt der Holz- und Zellstoffindustrie – als Bestandteil eines Natrium-Ionen-Batteriesystems.
Das Biopolymer Lignin ist ein Hauptbestandteil von Holz und verleiht diesem seine Stabilität. Als Koppelprodukt der Papierindustrie wird es bisher zur Energieerzeugung verbrannt. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) und der Friedrich-Schiller-Universität Jena – beide Partner des Center for Energy and Environmental Chemistry (CEEC) – haben jetzt eine bessere Idee: Im vom Freistaat Thüringen und dem Europäischen Sozialfonds geförderten Projekt »ThüNaBsE« (Thüringer Natrium-Ionen-Batterie für die skalierbare Energiespeicherung) entwickeln und evaluieren die Partner eine neuartige Natrium-Ionen-Batterie mit Lignin – vom Material bis hin zur 1-Ah-Vollzelle.
Damit soll ein wichtiger Beitrag zur Stärkung der Unabhängigkeit von kritischen Rohstoffen und zur Wende hin zu günstigeren, nachhaltigeren und sicheren Batterien geleistet werden. Das Vorhaben wird von einem Industriebeirat überwiegend regionaler Firmen begleitet. Dazu gehören die Thüringer Unternehmen Mercer Rosenthal GmbH, Glatt Ingenieurtechnik GmbH, IBU-tec advanced materials AG und EAS Batteries GmbH sowie die Petrochemical Holding GmbH aus Wien. Ein weiteres Ziel des Projekts ist es, Nachwuchsforschende in Thüringen zu fördern. Daher sind an »ThüNaBsE« eine Reihe junger Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beteiligt, die in den Themenfeldern Energie und Batterieforschung promovieren.
Lignin: vom Nebenprodukt zum Wertstoff
Lignin besteht hauptsächlich aus Kohlenwasserstoff-Bausteinen, die sich sinnvoll in der Chemie verwenden lassen – etwa als Elektrodenmaterial für Batterien. Im Projekt soll der biobasierte Rohstoff für die negative Elektrode genutzt werden. »Wir wollen in der Wertschöpfungskette auf kritische Metalle wie Lithium, Kobalt und Nickel in Batterien verzichten. Zudem möchten wir den Fluoranteil in Elektroden und Elektrolyt möglichst niedrig halten und erproben, inwiefern er sich komplett vermeiden lässt. Kern des Vorhabens ist aber die Verarbeitung von lokal verfügbarem, hochwertigem Lignin zu leistungsfähigen Elektroden in unseren Natrium-Ionen-Batterien«, sagt Dr. Lukas Medenbach, Wissenschaftler am Fraunhofer IKTS in Arnstadt, dem Tor zum Thüringer Wald.
Das Lignin wird von der Mercer Rosenthal GmbH zur Verfügung gestellt und 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.
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«, erläutert Dr. Medenbachs Kollege Dr. Cornelius Dirksen. Als Material für die positive Elektrode sollen Berliner-Blau-Analoga, also ungiftige Eisenverbindungen, zum Einsatz kommen. Die Substanz, die bereits vor ca. 200 Jahren als Pigment eingesetzt wurde, zeichnet sich durch gute Rohstoffverfügbarkeit, Umweltverträglichkeit und Natrium-Ionen-Speichereigenschaften aus.
Aktuell werden im Batterietestzentrum des Fraunhofer IKTS in Arnstadt, am Fraunhofer IKTS in Hermsdorf und an der Friedrich-Schiller-Universität in Jena erste Kleindemonstratorzellen gebaut und getestet. Begleitet werden die Laborarbeiten von 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«, so Dr. Medenbach.
Die fertig entwickelte Batterie könnte als stationärer oder mobiler Speicher dort eingesetzt werden, wo keine schnellen Ladezeiten erforderlich sind. Die Lignin-basierten Natrium-Ionen-Batterien eignen sich beispielsweise für mobile Anwendungen mit geringerem Leistungsbedarf. In Frage kommen etwa Microcars (45-km/h-Autos) oder Flurförderfahrzeuge wie Gabelstapler. Nach Projektabschluss soll die Technologie weiter skaliert und unter Einbeziehung eines noch größeren Konsortiums der Weg zu den nächsten Technologiereifegraden eingeschlagen werden.