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-Forscher 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.
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. Das Lignin wird von der Mercer Rosenthal GmbH zur Verfügung gestellt und unter Luftausschluss thermisch in sog. harten Kohlenstoff (Hard Carbon) umgewandelt, der dann zur Elektrode weiterverarbeitet wird. Die Struktur dieses 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. Als Material für die positive Elektrode sollen Berliner-Blau-Analoga, 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.
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.
