Innovatives Verfahren: Aus Altpapier werden Bauteile für Batterien
Eigentlich ist Altpapier zu schade fürs Downcycling oder gar für die thermische Verwertung. Forschende stellen daraus Kohlenstoffelektroden für Smartphones und Elektrofahrzeuge her.
Aus alten Kartons könnten durch thermische Verwertung bald neue Elektroden werden.
Foto: Panthermedia.net/markvandam (YAYMicro)
Deutschland verbraucht knapp 19 Millionen Tonnen Papier, Pappe und Karton pro Jahr: ein Spitzenplatz innerhalb der Europäischen Union. Der große Teil landet nach einmaliger Nutzung im Recycling oder gar im Restmüll. Andere Länder jenseits der EU setzen vermehrt auf die thermische Verwertung. Nur geht die Herstellung von Papier mit großen Umweltbelastungen durch den Einsatz von Chemikalien einher. Gute Ideen zum Upcycling sind gefragter denn je, und zwar weltweit.
Eine überraschende Idee kommt jetzt aus Singapur: Wissenschaftler der Nanyang Technological University (NTU) zeigen, wie sich aus sich Altpapier aus Einwegverpackungen, Tüten und Pappkartons eine wichtige Komponente von Lithium-Ionen-Akkus herstellen lässt. Durch ein Verfahren namens Karbonisierung, bei dem Papier thermisch in reinen Kohlenstoff umgewandelt wird, stellten die NTU-Forschenden aus Papierfasern Elektroden her – perspektivisch für wiederaufladbare Batterien für Mobiltelefone, medizinische Geräte und Elektrofahrzeuge.
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Bauteile für Batterien durch thermische Umwandlung
Um das Papier in Kohlenstoff umzuwandeln, setzte das Team Papier hohen Temperaturen aus, wodurch es zu reinem Kohlenstoff, Wasserdampf und Ölen umgesetzt wird, die als Biokraftstoff verwendet werden können. Da die Karbonisierung unter Ausschluss von Sauerstoff stattfindet, werden nur geringe Mengen an Kohlendioxid freigesetzt: ein weiterer Pluspunkt.
Kosten und Nutzen der Technologie für Batterien
Zur Herstellung der Kohlenstoffanoden fügten die NTU-Forscher mehrere dünne Blätter aus festem Papier zusammen und schnitten sie mit dem Laser zu verschiedenen Gittergeometrien aus. Das Papier wurde dann in einem Ofen unter Ausschluss von Sauerstoff auf 1.200 Grad Celsius erhitzt, um es in Kohlenstoff umzuwandeln, wodurch die Anoden entstanden.
Die vom Forschungsteam hergestellten Kohlenstoffanoden wiesen bei ersten Experimenten eine hervorragende Haltbarkeit, Flexibilität und elektrochemische Eigenschaften auf. Labortests zeigten, dass die Anoden bis zu 1.200-mal aufgeladen und entladen werden konnten, was mindestens doppelt so haltbar ist wie Anoden in aktuellen Telefonakkus. Die Akkus mit den von der NTU hergestellten Anoden konnten auch mehr physischen Belastungen standhalten als ihre Gegenstücke und absorbierten die Energie von Stößen bis zu fünfmal besser.
Das NTU-Team führt die überlegene Haltbarkeit, Flexibilität und elektrochemischen Eigenschaften der Anode auf die Anordnung der Papierfasern zurück. Die Kombination aus Festigkeit und mechanischer Zähigkeit würde es den Batterien von Handys, Laptops und Autos ermöglichen, Erschütterungen durch Stürze und Unfälle besser zu widerstehen.
Zum Hintergrund: Kommerzielle Lithiumionenakkus enthalten Kohlenstoffelektroden, die nach Erschütterungen durch Fallenlassen brechen und zerbröckeln, was eine der wichtigsten Ursachen dafür ist, dass die Lebensdauer der Batterien bei mechanischer Beanspruchung abnimmt. Die Forscherinnen und Forscher sagen, dass ihre Anoden, die widerstandsfähiger seien als die derzeit in Batterien verwendeten Elektroden, dazu beitragen würden, die Lebensdauer von Batterien zu verlängern. Vorteile sehen sie beim Einsatz in mobiler Elektronik – bis hin zu Elektrofahrzeugen.
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Bei der neuen Methode werden außerdem weniger energieintensive Prozesse benötigt – und es kommen weniger Schwermetalle zum Einsatz als bei etablierten industriellen Methoden zur Herstellung von Elektroden.
Da die Anode 10% bis 15% der Gesamtkosten einer Lithium-Ionen-Batterie ausmacht, dürfte diese neue Methode, bei der kostengünstiges Abfallmaterial verwendet wird, auch zu einer Senkung der Herstellungskosten führen. Die Verwendung von Altpapier als Rohstoff für die Herstellung von Batterieanoden würde auch unsere Abhängigkeit von konventionellen Kohlenstoffquellen wie kohlenstoffhaltigen Füllstoffen und kohlenstoffhaltigen Bindemitteln verringern, die abgebaut und später mit aggressiven Chemikalien und Maschinen verarbeitet werden.
„Unsere Anoden haben verschiedene Stärken wie hohe Haltbarkeit, Stoßfestigkeit und elektrische Leitfähigkeit, die in aktuellen Materialien nicht zu finden sind“, fasst Lim Guo Yao zusammen. Er ist Forschungsingenieur der NTU School of Mechanical and Aerospace Engineering. „Diese strukturellen und funktionellen Eigenschaften zeigen, dass unsere auf Papier basierenden Anoden eine nachhaltige und skalierbare Alternative zu den derzeitigen Kohlenstoffmaterialien darstellen und Einsatz in zahlreichen Anwendungen finden würden.“
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