Um die Energiewende voranzutreiben, sind kostengünstige, sichere und ressourcenschonende Energiespeicher gefragt. Eine neue Idee kommt aus dem Thüringer Wald: nachhaltige Batterien aus Holzabfall. Die Hintergründe.
Die Zukunft der nachhaltigen Batterie-Produktion kommt anscheinend aus dem Herzen Deutschlands: Im Thüringer Wald arbeiten Forscher daran, sogenannte Natrium-Ionen-Batterien nahezu vollständig auf Basis lokaler und nachwachsender Rohstoffe herzustellen.
Das Projekt namens „ThüNaBsE“ (Thüringer Natrium-Ionen-Batterie für die skalierbare Energiespeicherung) ist eine Zusammenarbeit des Fraunhofer-Instituts IKTS sowie der Friedrich-Schiller-Universität Jena.
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So funktioniert die Natrium-Ionen-Batterie aus dem Thüringer Wald
Im Mittelpunkt der Forschung steht das Material Lignin. Es fällt als Nebenprodukt in großen Mengen in der Holz- und Zellstoffindustrie an. Als Biopolymer verleiht der Stoff dem Holz seine Festigkeit.
Bisher wurde Lignin üblicherweise zur Energiegewinnung verbrannt. Die Wissenschaftler haben nun allerdings einen weiteren nützlichen Verwendungszweck gefunden.
Lignin besteht hauptsächlich aus Kohlenwasserstoff-Bausteinen, die sich sinnvoll in der Chemie verwenden lassen, zum Beispiel als Elektrodenmaterial für Batterien. Im Projekt soll der biobasierte Rohstoff für die negative Elektrode genutzt werden.
Dafür wird das Lignin in einem thermischen Verfahren unter Hitze- und Luftausschluss zu hartem Kohlenstoff (Hard Carbon) veredelt. Diese poröse, stabile Kohlenstoffstruktur kann Natrium-Ionen reversibel speichern. Als Material für die positive Elektrode kommen ungiftige Eisenverbindungen, sogenannte Berliner-Blau-Analoga, zum Einsatz.
Unabhängigkeit dank lokaler Rohstoffe
Mit der nachhaltigen Natrium-Ionen-Batterie soll ein wichtiger Beitrag zur Stärkung der Unabhängigkeit von kritischen Rohstoffen und zur Wende hin zu günstigeren, nachhaltigeren und sicheren Batterien geleistet werden, heißt es in einer Pressemitteilung.
„Wir wollen in der Wertschöpfungskette auf kritische Metalle wie Lithium, Kobalt und Nickel in Batterien verzichten“, erklärt Dr. Lukas Medenbach, Wissenschaftler am Fraunhofer IKTS in Arnstadt.
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.
Ein weiteres Ziel des Projekts sei es, Nachwuchsforscher in Thüringen zu fördern. Daher seien an »ThüNaBsE« eine Reihe junger Wissenschaftler beteiligt, die in den Themenfeldern Energie und Batterieforschung promovieren.
Erste Tests vielversprechend
Aktuell werden in Batterietestzentren in Arnstadt, Hermsdorf und 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 eine Stundenampere-Vollzelle nachzuweisen“, so Medenbach.
So sollen die nachhaltigen Wald-Batterien zum Einsatz kommen
Die fertig entwickelte Batterie könnte als stationärer oder mobiler Speicher dort eingesetzt werden, wo keine schnellen Ladezeiten erforderlich sind. So eignen sich Lignin-basierte Natrium-Ionen-Batterien beispielsweise für mobile Anwendungen mit geringerem Leistungsbedarf.
Infrage kommen etwa Microcars oder Flurförderfahrzeuge wie Gabelstapler. Nach dem Abschluss der Forschungsphase ist geplant, die Technologie weiter zu skalieren und den Weg zur Marktreife in einem noch größeren Konsortium zu beschreiten.
Das Projekt wird vom Freistaat Thüringen und dem Europäischen Sozialfonds gefördert und von einem starken, überwiegend regionalen Industriebeirat begleitet.
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