26.10.2020 - Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR)

Batterien mit pflanzenbasierten Elektrolyten auf dem Weg in die Praxis

Erneuerbar und weder brennbar noch explosiv: Batterie-Elektrolyte auf Basis von Lignin aus Holz wirtschaftlich herstellen

Bislang enthalten fast alle Batterien, egal ob kleiner Akku im Smartphone oder großtechnische Redox-Flow-Batterie, Metallverbindungen, basierend auf Lithium, Blei oder Vanadium. Gewinnung und Recycling der metallischen Verbindungen sind aufwändig und oft mit Umweltproblemen verbunden. Nun rückt eine nachhaltige Alternative näher - ein Forscherteam entwickelt derzeit eine praxistaugliche Batterie, deren Elektrolyt auf einer pflanzlichen Verbindung aus Holz basiert: Die CMBlu Energy AG optimiert ihr Verfahren zur Elektrolytgewinnung aus Lignin zur Praxisreife weiter.

Lignin fällt als Nebenprodukt des Holzaufschlusses in Papier- und Zellstofffabriken weltweit im Millionen-Tonnen-Maßstab an. Elektrolyte auf Holzbasis sind erneuerbar und weder brennbar noch explosiv.

In stationären Redox-Flow-Batterien kann Energie im für die Energiewende erforderlichen, großtechnischen Maßstab gespeichert werden. Herkömmliche Redox-Flow-Batterien benötigten große Mengen Elektrolyte mit gelösten Metallionen. Diese Stoffe sind häufig knapp, teuer und umweltschädlich. Als mögliche Alternativen bieten sich organische Verbindungen pflanzlichen Ursprungs an. Sie versprechen nicht nur eine höhere Wirtschaftlichkeit, sondern sind regenerierbar und damit potenziell auch nachhaltiger als metallische Verbindungen. Als Quelle kommt u. a. Lignin, einer der drei chemischen Hauptbestandteile des Holzes, in Frage. In der Literatur wird Lignin als grundsätzlich gut geeignet zur Gewinnung von Ausgangsstoffen für biobasierte Elektrolyte beschrieben. Der CMBlu Energy AG und ihren Partnern gelang es im Vorläuferprojekt, die grundsätzliche Machbarkeit Lignin-basierter Elektrolyte zu demonstrieren.

Im aktuellen Vorhaben will CMBlu das Verfahren gemeinsam mit sechs Partnern aus Wissenschaft und Industrie unter Umwelt- und Wirtschaftlichkeitsgesichtspunkten weiter optimieren. Dr. Peter Geigle, Vorstandsvorsitzender der CMBlu Energy AG: „Das kontinuierliche Verfahren, das wir in FOREST II mit unseren Partnern erarbeiten möchten, erschließt eine nachhaltige und nahezu unbegrenzte Quelle zur Gewinnung von Ausgangsstoffen für unsere organischen Elektrolyte.“

Unter anderem plant das Projektteam die Entwicklung spezieller Filtrationsmembranen und die Erprobung elektrochemischer Syntheserouten, um die Ausbeute der Zielmoleküle bei der Produktion der Elektrolyte aus Lignin zu erhöhen. Im gesamten Prozess von der Ligninfragmentierung bis zur Elektrolytproduktion fallen zudem diverse Nebenströme an, die unter anderem Furfural, Vanillin und Syringasäure enthalten. Die Forscher wollen Trennverfahren zur Gewinnung dieser verwertbaren Stoffe entwickeln. Im Idealfall könnten Zellstofffabriken so zu Bioraffinerien ausgebaut werden, die in einem integrierten System Cellulose zu Zellstoff sowie Lignin zu Ausgangsstoffen für Elektrolyte und weitere Chemikalien umwandeln.

Bei den aus dem Lignin abgetrennten Zielmolekülen handelt es sich chemisch gesehen um Chinone. Diese bringen aufgrund ihrer Eigenschaften grundsätzlich ein hohes Potenzial für eine wirtschaftliche Batterieproduktion mit: Chinone lassen sich mit erheblich günstigeren Elektrodenmaterialien als herkömmliche Aktivmaterialien kombinieren. Zudem handelt es sich im Vergleich zu Metallionen um deutlich größere Moleküle, sodass man auch günstigere Membranen für den Ladungsausgleich in den Batteriezellen verwenden kann. Zudem sind die organischen Elektrolyte weder brennbar noch explosiv.

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