Ob Elektroautos oder eine vollständig regenerative Stromversorgung: Beide für den Klimaschutz so wichtigen Bereiche der Energiewende setzen leistungsfähige Stromspeicher voraus. Bislang sind Batterien jedoch ökologisch und sozial oft problematisch, da sie bestimmte Metalle benötigen, deren Abbau Mensch und Umwelt schädigt. Forscher des Max-Planck-Instituts (MPI) für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Golm haben sich daher das Ziel gesetzt, alle problematischen Komponenten von Batterien durch nachwachsende Rohstoffe zu ersetzen.

Vanillin statt Lithium

Die erste Assoziation ist dabei für viele Menschen das Alkalimetall Lithium, häufig in Verbindung mit Kobalt. „Was man braucht, sind ganz allgemein Substanzen, die Elektronen abgeben und danach auch wieder aufnehmen können“, erklärt MPI-Forscher Clemens Liedel. „Das können Metalle sein, die dann zu Metallionen werden, aber auch organische Substanzen.“ Eine vielversprechende organische Substanz, mit der sein Team sich befasst, ist Vanillin. Der Aromastoff der Vanille lässt sich unkompliziert aus Lignin und damit aus Holz herstellen. Grundsätzlich könnte Vanillin Lithiumkobaltoxid als Kathodenmaterial ersetzen. Allerdings handelt es sich dabei um ein sprödes Pulver, was einige chemische Kniffe erforderlich macht. Eine Variante, die die Chemiker getestet haben, ist der Einsatz eines Bindemittels wie Chitosan, das sich beispielsweise aus Garnelenschalen gewinnen lässt, kombiniert mit Ruß, der ebenfalls aus Biomasse erzeugt werden kann. Aktuell entwickelt das Team um Liedel ein reines Vanillin-Kohlenstoff-Gemisch, das ohne Bindemittel auskommen könnte.

Ionische Flüssigkeit als Elektrolyt

Für den Ladungsaustausch in Batterien sorgen Elektrolyte. „Aktuell sind hier Lösungen giftiger Lithiumsalze in brennbaren organischen Carbonaten üblich“, schildert Liedel. Auch hierfür hat sein Team eine Alternative gefunden – sogenannte ionische Flüssigkeiten. „Ionische Flüssigkeiten sind gut leitend für andere Ionen, kaum flüchtig und damit auch schwer entflammbar.“ Außerdem sind sie rein organisch und können aus nachwachsenden Rohstoffen erzeugt werden. Für die Lösung, mit der die MPI-Forscher derzeit arbeiten, gilt letzteres immerhin schon zur Hälfte. Ein weiterer Vorteil der ionischen Flüssigkeiten besteht darin, dass ihre elektrochemischen Parameter sich gut einstellen lassen.

Auch für die Separatoren, die zwischen den Polen einer Batterie einen Kurzschluss verhindern, weiß Liedel eine Alternative aus erneuerbaren Rohstoffen: das bereits zuvor verwendete Chitosan. Das haben die Forscher zu einem feinporigen Netzwerk verknüpft. Versuche damit seien bereits erfolgreich gewesen: „Vor allem die Anionen wandern gut durch die Poren“, berichtet Liedel.

Zusammenbau der Biobatterie

An einer Alternative für Lithium bei der Anode arbeitet Liedels Kollege Martin Oschatz und wurde bei Natrium fündig. In Verbindung mit einem speziell gestalteten Kohlenstoffpolymer und Ruß sind erste Tests bereits erfolgreich verlaufen.

Während Oschatz seinen Ansatz weiterentwickeln möchte, um damit bessere Superkondensatoren herzustellen, will Liedel nun die unterschiedlichen Komponenten zu einer Biobatterie zusammenfügen. „Wir müssen aber noch einige Detailfragen klären“, sagt Liedel. Offen ist beispielsweise, wie gut sich die ionische Flüssigkeit mit dem biobasierten Elektrodenmaterial Vanillin chemisch verträgt. Unterstützung bekommt der Chemiker dabei von der Deutschen Forschungsgemeinschaft, die die Entwicklung polymerbasierter Batteriewerkstoffe sechs Jahre lang mit 12 Mio. Euro fördert – unter anderem auch das Projekt des MPI-Forschers.

bl