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Holz Nachhaltige Batterien aus Holz-Abfällen

Quelle: Uni Jena 3 min Lesedauer

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Ein Forschungsteam der Universität Jena will aus Lignin-Abfällen der Holzwirtschaft Materialien entwickeln, mit denen sich nachhaltige Batterien bauen und recyceln lassen.

Gefällte Bäume in einem Forst bei Stadtroda. In der Holzindustrie fallen große Mengen Lignin an, den die Forschenden vom Abfallprodukt zum Wertstoff aufwerten wollen.(Bild: Jan-Peter Kasper/Uni Jena)
Gefällte Bäume in einem Forst bei Stadtroda. In der Holzindustrie fallen große Mengen Lignin an, den die Forschenden vom Abfallprodukt zum Wertstoff aufwerten wollen.
(Bild: Jan-Peter Kasper/Uni Jena)

Das Biopolymer Lignin kommt in großen Mengen in Bäumen vor. Es sorgt dafür, dass das Holz der Bäume stabil bleibt. Verarbeitet man dieses Holz beispielsweise zu Papier, ist nur der Zelluloseanteil des Holzes interessant. „In der Zellstoffindustrie fallen weltweit jährlich rund 50 Millionen Tonnen Lignin an. Der Großteil davon wird einfach verbrannt“, sagt Prof. Dr. Martin Oschatz von der Universität Jena. Doch dafür, so macht der Professor für Chemie der Materialien für Energieanwendungen deutlich, sei Lignin viel zu schade. „Es besteht, wie Zellulose und andere Biopolymere, aus Kohlenwasserstoffbausteinen, die sich in der Chemie wesentlich sinnvoller nutzen lassen.“

Vom Abfallprodukt zum Wertstoff

Genau das haben Oschatz und ein interdisziplinäres Forschungsteam des an der Universität angesiedelten Center for Energy and Environmental Chemistry (CEEC Jena) nun vor. Ihr Verbund „LignUp“ hat zum Ziel, Lignin vom Abfallprodukt zum Wertstoff aufzuwerten. Das Projekt wird in den kommenden sechs Jahren von der Carl-Zeiss-Stiftung im Rahmen des Programms „CZS Durchbrüche“ mit knapp fünf Millionen Euro gefördert.

Batteriematerialien auf Basis von Lignin

Die Forschenden wollen Lignin als Ausgangsstoff für Funktionsmaterialien einsetzen. „Batterien enthalten meist noch kritische Metalle, wie Lithium, Kobalt oder Mangan, deren Gewinnung mit hohem Aufwand verbunden und deren Ressourcen begrenzt sind“, so Oschatz. Er und das „LignUp“-Team wollen daher nach neuen Batteriematerialien suchen, die auf Basis von Lignin hergestellt werden können und die diese Metalle nicht mehr benötigen.

Aus Lignin lassen sich zudem neuartige Filtermaterialien synthetisieren, die Metalle aus wässrigen Lösungen selektiv abtrennen können. Damit ließen sich kritische Metalle in nachhaltigen Batterierecycling-Prozessen zurückgewinnen oder in der wasserbasierten Erzaufbereitung umweltschonend extrahieren. „Wir verknüpfen hier erstmals industrielle Bioökonomie branchenübergreifend mit Energietechnik. Lignin bietet sich aufgrund seiner vielseitigen chemischen Struktur als Ausgangsmaterial für solch neuartige Funktionsmaterialien sehr gut an“, sagt Umweltchemiker Prof. Dr. Michael Stelter, der gemeinsam mit Martin Oschatz, das „LignUp“-Team leitet. Darüber hinaus sei Lignin als heimischer Rohstoff in großen Mengen und stabiler Qualität vorhanden und auch deshalb für eine großtechnische Nutzung sehr gut geeignet, so Stelter weiter. Das neue Projekt wird auch der Startschuss für einen neuen langfristigen Schwerpunkt zu Bioökonomie und Energiematerialien am CEEC Jena sein.

Lignin als Basis für Elektroden in Energiespeichern

Aus Lignin gewonnene Kohlenstoff-Aktivmaterialien könnten zum Beispiel als Elektrodenmaterial in Speicher-Kondensatoren und Natriumbatterien zum Einsatz kommen und dort kritische Metalle ersetzen. Solche und andere nachhaltige Energiespeicher wie metallfreie Redox-Flow-Batterien sind bereits seit längerem ein Forschungsschwerpunkt des CEEC Jena, aus dem sich auch das Kern-Team des „LignUp“-Projekts rekrutiert. Externe Forschende des Thüringer Innovationszentrums für Wertstoffe (ThIWERT) in Nordhausen und der Universität Bayreuth bringen ebenfalls ihre Expertise ein.

Lignin-basierte Funktionsmaterialien zur Anreicherung von Metallen

In der zweiten Säule des Projekts geht es um die Erschließung neuer Quellen für kritische Metalle. „Bereits heute wird versucht, aus Meerwasser oder aus speziellen bergbaulichen Wässern durch Membranen oder Adsorptionsmaterialien interessante Metalle abzuscheiden. Künftig kommen noch wasserbasierte Recyclingverfahren für Metalle hinzu – etwa aus dem Batterierecycling. Wir wollen daher eine Materialbibliothek aufbauen und Synthesewege entwickeln, mit denen sich neue Funktionsmaterialien aus Ligninbestandteilen maßschneidern lassen, die für die Gewinnung von Metallen aus Wasser besser geeignet sind“, sagt Martin Oschatz.

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