Mit biologischen Abfällen auf dem Weg zur nachhaltigen Batterie
Die Energiewende in Deutschland ist ein beschlossenes Projekt der Bundesregierung, das mit dem Ausstieg aus der Kernenergie einhergeht. Seitdem wird versucht, hauptsächlich mit Hilfe von Wind- und Sonnenenergie die Atommeiler zu ersetzen und die Stromversorgung von Deutschland sicherzustellen. Eine große Herausforderung ist weiterhin die Zwischenspeicherung der nachhaltig gewonnenen Energie, um die Lastspitzen abzudecken und eine kontinuierliche Stromversorgung sicherzustellen. Verschiedene Technologien, wie beispielsweise der bereits vorgestellte Batterie-Großspeicher M5-BAT, werden hier als mögliche Lösungen erforscht. Leistungsstarke Batterien sind dabei das Kernstück der Forschung und bieten ein großes, bisher ungenutztes Potenzial.
Einen großen Schritt in der Batterieforschung haben nun die Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) gemacht. Sie entwickelten mit biologischen Abfällen erstmals nachhaltige Batterien, die sowohl kostengünstig als auch leistungsstark sein sollen. Der Energiespeicher basiert dabei auf einem kohlenstoffbasiertem Aktivmaterial, das aus Apfelresten gewonnen wird. Zusammen mit einem Material aus Schichtoxiden könnte es dazu beitragen, dass zukünftig die Kosten für Energiespeicher gesenkt werden können. Gleichzeitig weisen die beiden Stoffe, die für die umweltfreundliche und nachhaltige Nutzung von Ressourcen stehen, hervorragende elektrochemische Eigenschaften auf.
Das neue kohlenstoffbasierte Material für Natrium-Ionen-Batterien kann aus Äpfeln gewonnen werden. (Bild: KIT/HIU)
Die im Fokus stehenden Natrium-Ionen-Batterien bieten im Kontrast zu anderen Systemen wie Nickel-Metallhydrid- oder Bleisäure-Akkumulatoren große Vorteile: Sie sind nicht nur umweltfreundlich und nachhaltig, sondern ebenso deutlich leistungsstärker. Auch der Kostenfaktor spielt eine relevante Rolle, da die Ausgangsrohstoffe weit verbreitet, einfach zugänglich und kostengünstig sind. Damit können sie ebenso als eine Alternative zur bisher weit verbreiteten Lithium-Ionen-Technologie gesehen werden. Kurz gesagt, nach Meinung der Forscher am KIT sind Natrium-Ionen-Batterien eine äußerst vielversprechende Technologie für stationäre Energiespeicher, die ein erfolgskritischer Faktor in der Energiewende sind. Es ist also gut vorstellbar, dass sich zukünftig ein äußerst attraktiver Markt für die Natrium-Ionen-Batterien ergibt.
Einen großen Schritt in diese Richtung ist nun dem Team um Professor Stefano Passerini und Dr. Daniel Buchholz am Helmholtz-Institut Ulm des Karlsruher Instituts für Technologie bei der Entwicklung von Aktivmaterialien für Natrium-basierte Energiespeichersysteme gelungen. Ein kohlenstoffbasiertes Material, das aus Apfelabfällen gewonnen werden kann, wurde speziell für die negative Elektrode entwickelt. Seine exzellenten elektrochemischen Eigenschaften konnte das Aktivmaterial bei über 1.000 Lade- und Entladezyklen mit einer gleichzeitig hohen Zyklenstabilität und Kapazität unter Beweis stellen.
Schematische Struktur der hergestellten Schichtoxide. (Bild: KIT/HIU)
Darüber hinaus wurde für die positive Elektrode ein Material aus verschiedenen Schichten von Natriumoxiden entwickelt, das völlig ohne das kostenintensive und gleichzeitig umweltschädliche Element Cobalt auskommt – einem Element, das heutzutage noch immer häufig ein wichtiger Bestandteil der Aktivmaterialen von kommerziellen hergestellten Lithium-Ionen-Batterien ist. Das neue entwickelte Aktivmaterial, in dem die eigentliche elektrochemische Speicherung von Energie stattfindet, kann im Labor ohne Kobalt über hunderte Zyklen die gleichen Leistungsdaten erreichen, wenn es um Effizienz, Zyklenstabilität, Kapazität und Spannung geht.
Sollte diese Entwicklung nun auf Batteriegroßspeichersysteme übertragen werden können, so wäre dies ein bedeutender Schritt hin zur nachhaltigen Nutzung und Verwertung von Ressourcen, wie zum Beispiel biologischen Abfällen. Die Ergebnisse zu den kostengünstigen und umweltfreundlichen Natrium-Ionen-Batterien stellt das Forschungsteam nun in zwei Publikationen der (Fach-) Öffentlichkeit vor:
- „Apple Biowaste-Derived Hard Carbon as a Powerful Anode Material for Na-Ion Batteries“ ChemElectroChem, doi: 10.1002/celc.201500437;
- “Layered Na-Ion Cathodes with Outstanding Performance Resulting from the Synergetic Effect of Mixed P- and O-type Phases” Advanced Energy Materials, doi: 10.1002/aenm.201501555.
Quelle und weiterführende Informationen: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
nachhaltige Batterie
Pro
- wichtiger Baustein der Energiewende
- Zukunftstechnologie
- basiert auf natürlichen Ressourcen
