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Holzabfall kann Natrium-Akkus leistungsfähiger machen
Batteriematerial aus Holzresten: Lignosulfonat, ein Nebenprodukt der Zellstoffherstellung, lässt sich zu feinen Kohlenstofffasern für Natrium-Ionen-Akkus verarbeiten. Forscher haben gezeigt, wie sich deren Speicherleistung durch die innere Struktur beeinflussen lässt. Eine Laborvariante erreichte nach 200 Lade- und Entladezyklen rund 264 Milliamperestunden pro Gramm. Die Fasern lassen sich zudem ohne organische Lösungsmittel aus einer wässrigen Mischung herstellen.
Limerick (Irland). Natrium-Ionen-Akkus gelten als mögliche Ergänzung zu den heute dominierenden Lithium-Ionen-Batterien. Denn Natrium ist breit verfügbar und könnte für bestimmte Energiespeicher eine kostengünstige Alternative bieten. Allerdings benötigen solche Akkus geeignete Elektroden, die Natriumionen zuverlässig aufnehmen und beim Laden wieder freigeben.
Eine Möglichkeit ist sogenannter Hartkohlenstoff, dessen ungeordnete Struktur den Natriumionen Platz bietet. Er lässt sich auch aus Lignin herstellen, einem natürlichen Bestandteil der Pflanzenzellwände. Bei der Herstellung von Zellstoff fallen große Mengen ligninhaltiger Nebenprodukte an, die bisher oft energetisch genutzt werden.
Forscher der University of Limerick (UL) um Tadhg Kennedy haben nun untersucht, wie sich Lignosulfonat aus der Papierindustrie in besonders feine Kohlenstofffasern umwandeln lässt. Zugleich wollten sie herausfinden, wie deren innere Struktur die Speicherfähigkeit einer Batterie-Elektrode bestimmt.
Für die Herstellung nutzte das Team das Elektrospinnen: Ein starkes elektrisches Feld zieht aus einer Flüssigkeit hauchdünne Fasern. Statt der dafür häufig eingesetzten organischen Lösungsmittel verwendeten die Wissenschaftler Wasser und mischten dem Lignosulfonat unter anderem Gelatine bei. Durch anschließendes Erhitzen und Verkohlen entstand ein Geflecht aus feinen Kohlenstofffasern.
Die Gelatine dient dabei als vorübergehende Strukturvorlage und wird bei der Wärmebehandlung weitgehend zersetzt. Die fertigen Testelektroden kamen ohne zusätzliche synthetische Bindemittel aus. Beim Verspinnen selbst verwendete das Team allerdings eine kleine Menge eines polymeren Stabilisators, weshalb der gesamte Prozess nicht völlig frei von synthetischen Hilfsstoffen ist.
„In dieser Studie ging es nicht nur darum, ein neues Batteriematerial herzustellen, sondern auch darum, die Wissenschaft dahinter zu verstehen. Indem wir untersucht haben, wie sich Chemie und Struktur des Kohlenstoffs während der Verarbeitung verändern, haben wir Erkenntnisse gewonnen, die bei der Entwicklung effizienterer und nachhaltigerer Materialien für künftige Batterien helfen können“, erklärt Judith Miralda-Jalle von der University of Limerick.
Die Forscher haben mehrere Herstellungsbedingungen verglichen. Bei einer anfänglichen Wärmebehandlung mit 100 Grad Celsius entstanden Fasern von durchschnittlich rund 200 Nanometern Durchmesser. Bei 150 Grad Celsius waren sie im Mittel etwas dicker und unterschieden sich zudem in ihrem inneren Aufbau.
In elektrochemischen Labortests zeigte die bei 100 Grad vorbehandelte Variante nach 200 Lade- und Entladezyklen eine spezifische Kapazität von 264,3 Milliamperestunden pro Gramm. Die bei 150 Grad vorbehandelte Vergleichsprobe erreichte dagegen 173,5 Milliamperestunden pro Gramm. Beide Werte beziehen sich auf die Masse des jeweiligen Elektrodenmaterials, nicht auf die Kapazität einer vollständigen Batterie.
Bei den Versuchen mit einer Stromstärke von 100 Milliampere pro Gramm erreichten beide Proben über 200 Zyklen eine mittlere Coulomb-Effizienz von rund 99,9 beziehungsweise 99,8 Prozent. Dieser Wert beschreibt, welcher Anteil der elektrischen Ladung während eines Zyklus wieder zurückgewonnen wird. Er ist kein Maß für den gesamten Energie-Wirkungsgrad eines Akkus.