Schmelzmetallkatalyse liefert unerwarteten Rohstoff für Elektrofahrzeug-Batterien
Pitt-Start-up erzeugt Batteriegraphit bei unter 1.000 °C statt bei 3.000 °C und gewinnt Wasserstoff als Nebenprodukt
Anzeigen
Im Labor von Götz Veser an der Swanson School of Engineering der Universität Pittsburgh pumpte der damalige Doktorand Aime Laurent Twizerimana Ethan durch geschmolzenes Metall bei Temperaturen unter 1.000 Grad Celsius, als etwas Unerwartetes geschah. Das Kohlenstoff-Nebenprodukt, das an die Oberfläche stieg, wirkte „flauschig“. Dieses Nebenprodukt entpuppte sich als hochwertiger Graphit.
(v. l. n. r.): Nader Sawtarie, Götz Veser, Aime Laurent Twizerimana und Mohammad Masnadi in Vesers Labor.
Thomas Altany, University of Pittsburgh
Bei der Suche nach einem saubereren und effizienteren Verfahren zur Herstellung von Ethylen war Twizerimana auf das neue „schwarze Gold“ gestoßen, wie Graphit in der Hightech- und Automobilindustrie genannt wird. Dieser Graphit ist ein wichtiger Bestandteil von Lithium-Ionen-Batterien, die für Elektrofahrzeuge, moderne Elektronik und die Speicherung grüner Energie unverzichtbar sind. Die derzeitigen Verfahren zur Herstellung des Graphits, die Temperaturen von 3.000 °C erfordern, sind jedoch alles andere als energieeffizient, und heute stammen 95 Prozent des Materials aus China.
Da sie die Notwendigkeit erkannten, Graphit und Wasserstoff im eigenen Land effizienter zu produzieren, meldete das Pitt-Team um Veser und Twizerimana zusammen mit Assistenzprofessor Mohammad Masnadi und dem Doktoranden Nader Sawtarie ein vorläufiges Patent an und gründete das Start-up Graphonos Materials (ehemals Grapheon). Das Unternehmen hat seine neuartige Technologie im Labor demonstriert und die Aufmerksamkeit von Risikokapitalgebern auf sich gezogen, zuletzt beim „Rice Business Plan Competition“, wo es den mit 20.000 Dollar dotierten „Aramco Innovator Prize“ gewann.
Eine unerwartete Entdeckung
„Ein Hindernis beim Übergang zu sauberer Energie ist die Einstellung, dass man entweder für oder gegen erneuerbare Energien ist“, sagte Veser, Professor für Chemie- und Erdöltechnik an der Swanson School und Leonard-Peters-Fakultätsstipendiat im Covestro Circular Economy Program. „Meine Forschung untersucht Wege, die Verarbeitung fossiler Brennstoffe mit einer nachhaltigeren Zukunft zu verbinden und diesen Wandel zu unterstützen.“
Gemeinsam mit Masnadi, der mittlerweile auch als Chief Sustainability Officer bei Graphonos Materials tätig ist, hat Veser neue Methoden untersucht, um Ethan – einen Hauptbestandteil des in West-Pennsylvania vorkommenden Erdgases – aufzuschließen oder zu „cracken“. Das Cracken von Ethan zu Ethylen erfordert Wärme und erzeugt durch Nebenreaktionen festen Kohlenstoff; der gängigste Ansatz besteht darin, Dampf in einen Reaktor zu pumpen, um ein Verstopfen der Reaktorrohre zu vermeiden.
„Es handelt sich um einen sehr energie- und emissionsintensiven Prozess, bei dem sich Kohlenstoff im Reaktor ansammelt, was regelmäßige Prozessabschaltungen zur Reinigung erforderlich macht“, sagte Veser, der zudem Chief Technology Officer bei Graphonos Materials ist. „Auf der Suche nach einer saubereren Alternative wandten wir uns der Schmelzmetallkatalyse zu, einer Technik, die zwar noch nicht weit verbreitet ist, aber bereits seit fast einem Jahrhundert bekannt ist.“
Anstatt einen festen Metallkatalysator zu verwenden, pumpten die Forscher das Ethan durch geschmolzenes Metall, wo es dehydrogeniert wird. „Geschmolzene Metalle haben einen erstaunlichen Vorteil“, sagte Masnadi. „Aufgrund der extremen Dichte der flüssigen Metalle schwimmt der Kohlenstoff nach oben und setzt sich dort ab.“
Im Rahmen seiner Doktorarbeit untersuchte Twizerimana, heute CEO von Graphonos Materials und Postdoktorand an der Swanson School, diesen Prozess. Er berichtete: „Es war gegen Ende meiner Promotion, als mir auffiel, dass bei einigen der von uns verwendeten Metalle der gebildete Kohlenstoff anders aussah – lockerer. Wir beschlossen, uns das genauer anzusehen.“
Twizerimana wandte sich an Sawtarie, einen Kommilitonen, der im Nanoionics and Electronics Lab von Professorin Susan Fullerton die einzigartigen Eigenschaften von 2D-Metallen erforschte. „Ein Teil meiner Doktorarbeit befasste sich mit Graphen, einer Form von Graphit“, sagte Sawtarie, der Chief Product Officer bei Graphonos Materials ist. „Ich habe das Nebenprodukt charakterisiert, das sich als unglaublich wertvoll herausstellte.“
Ein Ausflug zum „Super Bowl“
„Auf der Suche nach neuen Wegen zur Spaltung von Ethan stellten wir fest, dass wir Graphit in Batteriequalität herstellen können, indem wir das Ethan auf Temperaturen unter 1.000 °C erhitzen“, sagte Twizerimana. „Wir produzieren Graphit in einem nachhaltigeren und wirtschaftlich wettbewerbsfähigeren Verfahren, bei dem Wasserstoff als wertvolles Nebenprodukt entsteht.“
Der Großteil des Graphits in Batteriequalität wird heute in China in einem extrem energieintensiven Verfahren hergestellt. Kristalliner Petrolkoks, sogenannter Nadelkoks, wird in einem sehr langsamen Chargenverfahren auf 3.000 °C erhitzt, wobei eine einzelne Charge bis zu drei Wochen dauern kann. Es gibt zwar heimische Graphitproduzenten, die dieses energieintensive Verfahren nutzen, doch ist der Graphit teurer als in China, das den Markt dominiert.
Das Team der Pitt entwickelte und validierte ein Verfahren, das sich über zwei Labore der Swanson School erstreckte und zwei Schlüsselkomponenten für eine Zukunft mit sauberer Energie hervorbrachte. Bei der Gründung von Graphonos Materials fanden sie wertvolle Unterstützung im „Big Idea Center“ der Pitt. Das Zentrum hilft studentischen und wissenschaftlichen Unternehmern dabei, ihre Ideen zu verwirklichen sowie ihre Pitches zu entwickeln und zu präsentieren.
Diese Unterstützung trug dazu bei, Graphonos Materials zu dem zu führen, was Pitt-Professor Christopher Wilmer als „den Super Bowl der Pitch-Wettbewerbe“ bezeichnet. Von den mehr als 550 Teams weltweit, die sich für die Teilnahme am Rice Business Plan Competition beworben hatten, wurden 41 ausgewählt – darunter auch Graphonos Materials.
Bei dem Wettbewerb im April dieses Jahres gehörten sie zu den 15 Teams, die das Halbfinale erreichten, und waren eines von zwei Teams, die den mit 20.000 US-Dollar dotierten „Aramco Innovator Prize“ gewannen. Laut Aramco Ventures würdigt dieser Preis „die zukunftsweisendsten und wirkungsvollsten Lösungen des diesjährigen Wettbewerbs und ehrt Unternehmer, die diesen Geist der Entdeckung und der technischen Exzellenz verkörpern“.
An der Pitt gewann das Team zudem den mit 25.000 Dollar dotierten Hauptpreis des „Big Idea Competition“. Zusammen bestätigten diese Preise die Qualität ihrer Arbeit und ihr Potenzial, die Art und Weise, wie Graphit und Wasserstoff hergestellt werden, grundlegend zu verändern. „Wir haben erkannt, dass auf dem Markt ein starker Bedarf an kostengünstigem, nachhaltigem Graphit besteht“, sagte Twizerimana. „Jetzt ist der richtige Zeitpunkt, diesen Bedarf zu decken.“
„Wir sammeln Geld, um unser erstes vollständig integriertes System im Labormaßstab zu entwickeln, mit dem wir Kilogramm pro Tag produzieren können und das uns die technische Grundlage für die Konstruktion einer Pilotanlage liefert“, sagte Veser. Im Erfolgsfall wird das Team damit in der Lage sein, das Ethan aus West-Pennsylvania direkt hier in Pittsburgh in zwei Produkte umzuwandeln, die für den Übergang zu sauberer Energie unverzichtbar sind.
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
Weitere News aus dem Ressort Wissenschaft
Meistgelesene News
Weitere News von unseren anderen Portalen
Da tut sich was in der Chemie-Branche …
So sieht echter Pioniergeist aus: Jede Menge innovative Start-ups bringen frische Ideen, Herzblut und Unternehmergeist auf, um die Welt von morgen zum Positiven zu verändern. Tauchen Sie ein in die Welt dieser Jungunternehmen und nutzen Sie die Möglichkeit zur Kontaktaufnahme mit den Gründern.
Verwandte Inhalte finden Sie in den Themenwelten
Themenwelt Batterietechnik
Die Themenwelt Batterietechnik bündelt relevantes Wissen in einzigartiger Weise. Hier finden Sie alles über Anbieter und deren Produkte, Webinare, Whitepaper, Kataloge und Broschüren.
Themenwelt Batterietechnik
Die Themenwelt Batterietechnik bündelt relevantes Wissen in einzigartiger Weise. Hier finden Sie alles über Anbieter und deren Produkte, Webinare, Whitepaper, Kataloge und Broschüren.