Erneuerbare Kathoden aus der Papierfabrik

Poznan (Polen)/Linköping (Schweden) – Im Restebrei der Papier- und Zellstoffherstellung finden sich Rohstoffe, aus denen sich Kathoden und damit günstigere und umweltfreundlichere Batterien fertigen lassen. Sie entsprechen teureren Kathoden, die aus seltenen und wertvolleren Rohmaterialien bestehen, berichtet ein Forscherteam. Es nutzte dazu Ligninmoleküle – Lignin ist neben Zellulose das häufigste Biopolymer, Holz etwa besteht bis zu einem Viertel daraus. Die Forscher entzogen es dem Restegemisch der Papierherstellung und bereiteten es in mehreren Schritten auf. Das so entstandene Material kann elektrische Ladungen speichern, berichten die Forscher im Fachblatt „Science“. Derzeit neigt ihre Kathode zwar noch dazu, sich mit der Zeit langsam selbst zu entladen, doch der Einsatz unterschiedlicher Ligninbestandteile verspricht Optimierung.

„Der Vorteil, ein erneuerbares Material zum Ladungsspeichern zu nutzen, ist die enorme Menge, die auf der Erde von wachsenden Pflanzen schon produziert wird“, erklärt Olle Inganäs von der schwedischen Universität Linköping. „Außerdem hat es wenig Wert und wird derzeit verbrannt. Auf der anderen Seite benötigen Lithium-Ionen-Batterien Metalloxide, von denen einige – wie Kobalt – eher selten sind.“ Gemeinsam mit Grzegorz Milczarek von der Technischen Universität Poznan in Polen nahm Inganäs die sogenannte Rohlauge ins Visier, eine braune oder schwarze Flüssigkeit, die übrig bleibt, wenn Holz zu Papier verarbeitet wird. Während sie früher ins Abwasser geleitet wurde, werden heute bereits Bestandteile in Alkohol, Gerbstoffen oder Betonzusätzen umgewandelt.

Milczarek und Inganäs konzentrierten sich auf die elektrisch isolierenden Ligninsulfonate, die im Sulfitverfahren übrig bleiben. Wenn sie diese mit organischen Verbindungen namens Chinonen kombinierten, gaben die Sulfonate ein Proton ab und speicherten stattdessen die entsprechende elektrische Ladung. Ein leitfähiges Polymer namens Polypyrrol als Ergänzung hielt das freigesetzte Elektron fest, bis die gespeicherte Ladung abgerufen wurde und das Proton auf seinen Platz im Ligninsulfonat zurückkehrte.

Noch ist viel Raum für Verbesserungen. Das Austesten anderer Ligninderivate dürfte das Kathodenmaterial in punkto Ladungsdichte und Kapazität weiter optimieren, schreiben die Forscher. Ihr Ziel ist klar definiert: „Der Einsatz des erneuerbaren Biopolymers sollte zu kostengünstigen, sichereren und ungiftigen Elektroden führen.“