Forschungsgruppe »ThüNaBsE«: Die Thüringer Wald-Batterie

Die vom Freistaat Thüringen und dem Europäischen Sozialfonds geförderte Forschungsgruppe »ThüNaBsE: Thüringer Natriumionen-Batterie für die skalierbare Energiespeicherung« ist ein Gemeinschaftsprojekt des Center for Energy and Environmental Chemistry Jena, angesiedelt an der Friedrich-Schiller-Universität Jena (Arbeitsgruppen Prof. Martin Oschatz und Prof. Benjamin Dietzek Ivansič) sowie dem Fraunhofer IKTS in Hermsdorf und Arnstadt. Ziel des Projekts ist die Entwicklung und Evaluierung eines Natrium-Ionen-Batteriesystems mit einer Lebensdauer von mindestens 200 Lade- und Entladezyklen – ausgehend von der Untersuchung und Synthese von Materialsystemen bis hin zur 1 Ah-Vollzelle. Bei der Materialauswahl soll ein besonderer Fokus auf Nachhaltigkeit und lokal verfügbare Ressourcen gelegt werden. Daher wird auf den Rohstoff Lignin (Abb. 1) zurückgegriffen und möglichst auf Bestandteile hohen Fluorgehalts verzichtet. Das Projekt wird von einem Industriebeirat regionaler Firmen begleitet. Dazu gehören Mercer Rosenthal GmbH, Glatt Ingenieurstechnik GmbH, IBU-tec AG und EAS Batteries GmbH.

Negative Elektrode

Die Firma Mercer-Rosenthal stellt dem Projektkonsortium Lignin aus ihrem 2024 eröffneten Lignin-Center zur Verfügung. Dieses Abfallprodukt aus der Holzindustrie kann durch thermische Prozesse zu sogenanntem Hard-Carbon (Abb. 2 und 3) weiterverarbeitet werden, einem essenziellen Bestandteil von negativen Elektroden in Natrium-Ionen-Batterien. Während das aus Lithium-Ionen-Batterien bekannte Graphit nicht ohne weiteres für die Interkalation oder Einlagerung von Natrium-Ionen verwendet werden kann, ist die Struktur des Hard Carbons dagegen gut geeignet, um Natrium-Ionen reversibel zu speichern – eine entscheidende Voraussetzung für das Speichern von elektrischer Energie.

Positive Elektrode

Als Aktivmaterial in der positiven Elektrode werden Berliner-Blau-Analoge zum Einsatz kommen. Diese bieten den Vorteil, keine kritischen Schwermetalle und andere kostenintensive Komponenten zu beinhalten. Außerdem sind sie ungiftig und die Rohstoffe auch in Deutschland gut verfügbar.

Begleitet werden die experimentellen Arbeiten von Berechnungen und spektroskopischen Untersuchungen (in-operando-Infrarot-, Raman-, Impedanzspektroskopie etc.), um ein tieferes Verständnis der Materialien und der Prozesse im Zellbetrieb, in Degradations- und Alterungsmechanismen zu erhalten. Das Konsortium hat sich zum Ziel gesetzt, bis 2026 auf Basis der beschriebenen Elektroden eine 1 Ah-Natrium-Ionen-Batterie zu entwickeln. Damit soll ein wichtiger Beitrag für eine größere Unabhängigkeit von kritischen Rohstoffen und einer Wende hin zu günstigeren, nachhaltigeren und sicheren Batteriespeichern geleistet werden.