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Biobatterie aus Apfelresten

Energie aus Wind und Sonne hat einen Nachteil: Sie wird nicht beständig produziert und kann bislang auch nicht gespeichert werden. In Zukunft soll sich das ändern: Hochleistungsakkus sollen Energie zwischenspeichern und kontinuierlich abgeben. Eine günstige und umweltfreundliche Möglichkeit wären Natrium-Ionen-Batterien. Prof. Dr. Stefano Passerini und sein Team am KIT haben einen solchen Akku entwickelt – unter anderem aus Apfelresten.

Arbeitsgruppe Elektrochemie der Batterien. Prof. Dr. Stefano Passerini (4.v.li.) © HIU

Seit Sony 1991 die Lithium-Ionen-Batterie auf den Markt gebracht hat, hat sie Geschichte geschrieben und ist heute allgegenwärtig: In Handys, Tablets, Laptops, Kameras und zunehmend auch in Elektroautos. Wächst der Markt für solche Geräte wie erwartet weiter, befürchten Experten, dass das Alkalimetall Lithium knapp werden könnte. Deswegen wird schon heute nach Alternativen gesucht. Die wirtschaftlichen Perspektiven sind verlockend genug: Bis 2020 soll der globale Jahresumsatz des Batteriehandels auf 80 Milliarden Euro anwachsen.

Die Natrium-Ionen-Batterie gilt dabei als vielversprechendster Kandidat: „Natrium kommt überall vor: in Salzwüsten und unterirdischen Salzstöcken und im Meer in Form von Kochsalz. Die Gewinnung ist einfacher als die von Lithium und damit viel günstiger“, sagt Prof. Dr. Stefano Passerini, der am Helmholtz-Institut Ulm des Karlsruher Instituts für Technologie die Forschungsgruppe Elektrochemie leitet. Lithium hingegen liegt fein verteilt in der Erdkruste vor, was den Abbau aufwendig, teuer und umweltbelastend macht.

Glossar

  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
Das neue Kohlenstoffmaterial für die Natrium-Ionen-Batterie wurde aus Äpfeln gewonnen. © HIU

Natrium (Na) ist chemisch betrachtet der große Bruder von Lithium (Li). Doch einfach austauschen lassen sich die Ionen nicht. Da Na-Ionen etwa 25 Prozent größer sind als Li-Ionen können sie sich nicht in die üblicherweise in Batterien verwendeten Grafitelektroden einlagern. Aus diesem Grund müssen neue Kohlenstoffmaterialien für die Elektroden gefunden werden.

Wie aus Äpfeln Elektroden werden

Dem Team um Passerini ist nun ein wesentlicher Schritt in Richtung umweltfreundliche Natrium-Ionen-Batterie gelungen: Die Ulmer Wissenschaftler entwickelten zwei neuartige Materialien, die als negative und positive Elektrode der zukünftigen Akkus dienen könnten.

Bei Akkus handelt es sich um sogenannte wiederaufladbare Batterien, die Strom erzeugen, indem Ionen wie Lithium oder Natrium von einer Elektrode zur anderen fließen und sich dort einlagern. Schließt man einen Verbraucher wie etwa ein Handy an den Akku an, wird chemische Energie in elektrische umgewandelt. Dabei wandern Ionen von der negativen Elektrode zur positiv geladenen. Beim Laden wird der Prozess umgekehrt und elektrische Energie wieder in chemische umgewandelt. Die Ionen wandern zurück zur negativen Elektrode.

Die verschiedenen Natriumschichtoxide, als schematische Struktur dargestellt © HIU

Als Rohstoff für die negative Elektrode dienten Äpfel, die getrocknet, mit Säure behandelt und anschließend erhitzt wurden, um daraus amorphen Kohlenstoff zu erhalten. Der Kohlenstoff-Elektrode aus Apfelresten bescheinigen die Forscher „sehr gute elektrochemische Eigenschaften“. Über 1.000 Lade- und Entladezyklen hat die Bioelektrode bei stabiler Leistung bereits überstanden. Auf die Äpfel sei ein Doktorand aus China aufmerksam geworden, so Passerini: „Er hat sich gewundert, warum im Herbst so viele Äpfel noch an den Bäumen hängen beziehungsweise herumliegen.“ Da alle Äpfel, die den EU-Standards nicht genügen, etwa zu klein sind, entweder zu Viehfutter werden oder verrotten, handelt es sich um eine leicht verfügbare und preiswerte Ressource. „Viele biologische Abfälle, aber auch nachwachsende Ressourcen, könnten als Elektrodenmaterial dienen und damit nachhaltig genutzt werden“, ist Passerini überzeugt. Auch aus Bananen- und Erdnussschalen habe man bereits entsprechende Batteriematerialien gewonnen.

Es geht auch ohne Kobalt

Auch für die positive Elektrode haben die Forscher ein neuartiges Material entwickelt, das aus verschiedenen Natriumschichtoxiden besteht. Der Clou bei dieser Elektrode: Sie kommt ohne das häufig in Li-Ionen-Akkus eingesetzte Element Kobalt aus, das teuer und umweltschädlich ist.

Die Forschung an Na-Ionen-Batterien ist nicht neu. Sie wurde aber Ende der 1980er Jahre fallen gelassen, als sich der Siegeszug der leistungsfähigeren Li-Ionen-Batterie abzeichnete: Li-Ionen sind kleiner als Na-Ionen, weswegen sich damit leichte Batterien bauen lassen – ein klarer Vorteil in Zeiten der Elektromobilität. Zudem ist die spezifische Energie von Li-Batterien höher, also die Menge an Energie, die pro Gramm Batterie gespeichert werden kann.

Na-Batterien auf dem Vormarsch

Na-Ionen haben aufgrund ihrer Größe mehr Schwierigkeiten, sich in die kristalline Struktur der Elektroden einzulagern, was auch dazu führt, dass die Lade- und Entladevorgänge langsamer sind als bei den flinkeren Li-Ionen. Die Na-Ionen-Batterie wäre demzufolge nicht ganz so leistungsfähig und vor allem größer als die heutigen Li-Ionen-Batterien. Für den stationären Einsatz rund um Solar- und Windkraftanlagen spielt die Größe solcher Batterien aber keine Rolle. Dort sollen die Akkus die Energie, die während der Sonnenstunden und in windreichen Perioden gewonnen wird, zwischenspeichern und bei Bedarf abgeben. Im Zuge der Energiewende rechnen Experten mit einer wachsenden Nachfrage.

„Natrium-Batterien werden die Lithium-Batterien nicht ersetzen, aber ergänzen“, sagt Passerini. Bis zur Marktreife der neuen Öko-Akkus wird es aber noch einige Jahre dauern. Aktuell würden weitere Materialien getestet. Grundsätzlich handle es sich aber um eine „drop-in“-Technologie, der Herstellungsweg bestehe also bereits, so Passerini.

Die Ulmer Wissenschaftler forschen nicht allein an der nächsten Batterien-Generation: Französische Forscher des CNRS (Centre national de la recherche scientifique) haben Ende 2015 einen Prototypen vorgestellt, Toyota arbeitet an einer Version für Elektroautos und in England gibt es die Erstversion eines E-Bikes mit einer Na-Ionen-Batterie.

Literatur:

Keller M., Buchholz D., Passerini S. (2016). Layered Na-Ion Cathodes with Outstanding Performance Resulting from the Synergetic Effect of Mixed P- and O-Type Phases. Adv. Energy Mater., 6: 1501555. doi: 10.1002/aenm.201501555

L. Wu, D. Buchholz, C. Vaalma, G. A. Giffin, S. Passerini, Apple Biowaste-Derived Hard Carbon as a Powerful Anode Material for Na-Ion Batterie, ChemElectroChem 2016, 3, 292

Glossar

  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
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