Apfel-Akku

Natrium-Ionen-Batterien aus Apfelresten könnten eine ernsthafte Alternative zu den derzeit konkurrenzlosen Lithium-Ionen-Batterien werden. Aufgrund seines höheren Gewichts ist der „Apfel-Akku“ vor allem für stationäre Anwendungen interessant. Forschern ist ein wichtiger Schritt geglückt, zukünftige Energiespeicher mit geringerem Kostenaufwand und noch dazu umweltfreundlicher zu produzieren.

Lithium-Ionen-Batterien haben seit den 90-er Jahren alle anderen Batterie-Systeme aus Mobiltelefonen, Kameras und Laptops verdrängt. Sie sind leistungsstark, leicht und langlebig. Letzteres macht sie besonders für den Bereich der Elektromobilität interessant: Geeignete Batterien erreichen eine Lebensdauer von 10 Jahren und können mehrere tausend Male wieder aufgeladen werden.

Der einzige Nachteil des Lithium-Ionen-Akkus: Der Rohstoff Lithium liegt auf der Erde weit verteilt und nur in dünnen Konzentrationen vor. Die Gewinnung ist dementsprechend aufwendig. Lithium ist zwar nicht selten, aber dennoch begrenzt. Einige Wissenschaftler vermuten sogar, dass die Ressource Lithium schon in ein paar Jahrzehnten aufgebraucht sein könnte. Darüber hinaus enthalten Lithium-Ionen-Batterien das umweltschädliche Cobalt.

Alternativen: Pflanzen und Kochsalz

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Es wurden bereits verschiedene Ansätze entwickelt, die Komponenten des Akkus gegen alternative, nachwachsende Rohstoffe einzutauschen. Zum Beispiel gegen pflanzliche Materialien. Diese fallen zu Hauf als Abfallprodukt der Industrie an – und wachsen obendrein nach. Aus Lignin oder aus aufbereiteten Kohlenstoffverbindungen von verschiedenen Früchten wurden bereits stabile Elektroden-Materialien versuchsweise hergestellt.

Auch für die Ionen, die während der Lade- und Entladevorgänge zwischen den beiden Elektroden des Akkus wandern, werden Alternativen gesucht. Das Alkalimetall Natrium ist dem Lithium sehr ähnlich und auf der Erde rund 1000 Mal verfügbarer – im Boden in Salzstöcken und im Meerwasser als Bestandteil von gelöstem Kochsalz. Wenn es gelingt, aus Biopolymeren und Natrium leistungsstarke Akkus herzustellen, dann ist ein großer Schritt in Richtung einer nachhaltigen und kostengünstigen Energieversorgung geschafft.

Unterschiedliche elektrochemische Eigenschaften

Lithium raus, Natrium rein – so einfach geht es leider nicht. Denn die Funktionsweise der Batterie basiert auf dem Reaktionstyp der Interkalation: Ionen lagern sich in das Kristallgitter einer chemischen Verbindung ein, ohne diese dabei zu verändern. In der Lithium-Ionen-Batterie lagert Lithium sich während des Ladevorgangs in Grafit ein, das als an der Reaktion beteiligtes Material die negative Elektrode umgibt. Während des Entladevorgangs wandern die Ionen durch ein Leitmedium und lagern sich in das Aktivmaterial der Kathode ein, die aus Lithium-Cobalt-Oxid besteht.

Die elektrochemischen Eigenschaften der verwendeten Materialien machen die Lithium-Ionen-Batterie so unschlagbar leistungsfähig: Als leichtestes Element im Periodensystem gibt Lithium der Batterie eine hohe Energiedichte. Außerdem reagieren Lithium und Elektroden so, dass der Akku eine hohe elektrische Ladung speichern kann und diese hohe Kapazität über viele tausend Ladezyklen erhält.

Das Natrium-Ion ist größer als das Lithium-Ion. Es bringt daher andere elektrochemische Eigenschaften mit und kann Lithium nicht ohne weiteres ersetzen. So passt es zum Beispiel nicht zwischen die Grafit-Kristalle der negative geladenen Elektrode, reagiert also nicht mit ihr. Eine Natrium-Ionen- Batterie braucht daher alternative Elektroden.

Verkohlte Äpfel in der Elektrode

Und hier kommen die Äpfel ins Spiel: Kürzlich entwickelten Forscher des Helmholtz-Instituts Ulm des Karlsruher Instituts für Technologie für die negative Elektrode einer Natrium-Ionen-Batterie ein kohlenstoffbasiertes Material aus Apfelabfällen. Mit vollem Erfolg: In dieser Form besitzt die Natrium-Ionen-Batterie exzellente elektrochemische Eigenschaften. Über 1000 Lade- und Entladezyklen mit hoher Zyklenstabilität und hoher Kapazität konnten die Wissenschaftler bisher demonstrieren. Der Rohstoff ist außerdem sehr günstig: Viele nährstoffreiche Äpfel werden aufgrund ihrer Form, Größe und Färbung nach der Ernte aussortiert. Da sie auf dem Feld schnell verderben, sind sie auch als Viehfutter oft nicht mehr geeignet.

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Für die Herstellung der Elektrode wurden Äpfel zunächst getrocknet, bis sie zu 95 % aus Kohlenstoff bestanden (neben 1 % Wasserstoff, 2 % Stickstoff und 2 % Schwefel). Nach mechanischer und chemischer Bearbeitung wurden sie pyrolysiert. Durch Pyrolyse wird das Kohlenstoffgerüst des Ausgangsmaterials unter anderem komprimiert und umstrukturiert, und somit sehr stabil. Aus den saftigen Früchten wurden so etwa 14 % des Kohlenstoffs für die Elektrode gewonnen. Verkohlter Apfel wird so zum Elektronenleiter.

Besser geeignet als Erdnuss oder Pomelo

Frühere Versuche, aus Pflanzenmaterial ein stabiles Kohlenstoffgerüst für Elektroden herzustellen, waren nicht im großen Maßstab anwendbar. Beispielsweise wurden versuchsweise Kathoden aus Lignin erzeugt. Dieses entstammte dem Abwasser der Papierproduktion. Aber auch Erdnuss- und Pomelo-Schalen wurden versuchsweise zu Rohstoffen für kohlenstoffbasierte Elektroden. Doch diese erwiesen sich als ungeeignet, da sie eine im Laufe der Ladungszyklen abnehmende Kapazität besaßen. Erst die Leistungsdaten des Apfel-Akkus markieren einen Durchbruch.

Umweltfreundlich ohne Cobalt

Auch für die positive Elektrode entwickelten die Wissenschaftler eine umweltfreundliche Alternative und stellten diese in einer weiteren Veröffentlichung vor: Ein Material aus verschiedenen Schichten von Natrium-Oxiden, das ganz ohne das teure und umweltschädliche Element Cobalt auskommt und dennoch die gleichen Leistungsdaten wie das Cobalt-haltige Schicht-Oxid kommerzieller Lithium-Ionen-Batterien erbringt.

Alte Äpfel, neue Technologie

Mit ihren beiden neuen Elektroden kann die Natrium-Ionen-Batterie der Lithium-Ionen-Batterie die Stirn bieten. Allerdings nur im stationären Anwendungsbereich, denn ihre Energiedichte wird nie so hoch sein, wie die der Lithium-Ionen-Batterie. Als Speicher von nicht genutzter Energie von Solaranlagen oder Windrädern sind solche stationären umweltfreundlichen Akkus hoch interessant. Energiespeicher sind für die Energiewende von zentraler Bedeutung. Stromspitzen gilt es abzufangen und nicht benötigte Energie effizient zu speichern. Alte, aussortierte Äpfel können einen Beitrag leisten.