Redox-Flow-Batterien mit pflanzenbasierten Elektrolyten auf dem Weg in die Praxis

Bislang enthalten fast alle Batterien Metallverbindungen, egal ob kleiner Akku im Smartphone oder großtechnische Redox-Flow-Batterie, welche auf Lithium, Blei oder Vanadium basieren. Gewinnung und Recycling der metallischen Verbindungen sind aufwändig und unter Umständen mit Umweltproblemen verbunden. Nun rückt eine nachhaltige Alternative näher – ein deutsches Forscherteam entwickelt derzeit eine praxistaugliche Batterie, deren Elektrolyt auf einer pflanzlichen Verbindung aus Holz basiert: Die CMBlu Energy AG optimiert ihr Verfahren zur Elektrolytgewinnung aus Lignin zur Praxisreife weiter.

Lignin fällt als Nebenprodukt des Holzaufschlusses in Papier- und Zellstofffabriken weltweit im Millionen-Tonnen-Maßstab an. Elektrolyte auf Holzbasis sind erneuerbar und weder brennbar noch explosiv. In stationären Redox-Flow-Batterien könne Energie im für die Energiewende erforderlichen, großtechnischen Maßstab gespeichert werden, so CMBlu Energy in einer aktuellen Mitteilung.

Herkömmliche Redox-Flow-Batterien benötigten große Mengen Elektrolyte mit gelösten Metall-Ionen. Diese Stoffe seien häufig knapp, teuer und umweltschädlich. Als mögliche Alternativen sollen sich organische Verbindungen pflanzlichen Ursprungs anbieten. Sie versprechen nicht nur eine höhere Wirtschaftlichkeit, sondern sind regenerierbar und damit potenziell auch nachhaltiger als metallische Verbindungen. Als Quelle kommt u. a. Lignin, einer der drei chemischen Hauptbestandteile des Holzes, in Frage. In der Literatur werde Lignin als grundsätzlich gut geeignet zur Gewinnung von Ausgangsstoffen für biobasierte Elektrolyte beschrieben.

Der CMBlu Energy AG und ihren Partnern gelang es im Vorläuferprojekt, die grundsätzliche Machbarkeit Lignin- basierter Elektrolyte zu demonstrieren. Im aktuellen Vorhaben will CMBlu das Verfahren gemeinsam mit sechs Partnern aus Wissenschaft und Industrie unter Umwelt- und Wirtschaftlichkeitsgesichtspunkten weiter optimieren.

„Das kontinuierliche Verfahren, das wir in FOREST II mit unseren Partnern erarbeiten möchten, erschließt eine nachhaltige und nahezu unbegrenzte Quelle zur Gewinnung von Ausgangsstoffen für unsere organischen Elektrolyte.“ – Dr. Peter Geigle, Vorstandsvorsitzender der CMBlu Energy AG

Unter anderem plant das Projektteam die Entwicklung spezieller Filtrationsmembranen und die Erprobung elektrochemischer Syntheserouten, um die Ausbeute der Zielmoleküle bei der Produktion der Elektrolyte aus Lignin zu erhöhen. Im gesamten Prozess von der Ligninfragmentierung bis zur Elektrolytproduktion fallen zudem diverse Nebenströme an, die unter anderem Furfural, Vanillin und Syringasäure enthalten. Die Forscher wollen Trennverfahren zur Gewinnung dieser verwertbaren Stoffe entwickeln. Im Idealfall könnten Zellstofffabriken so zu Bioraffinerien ausgebaut werden, die in einem integrierten System Cellulose zu Zellstoff sowie Lignin zu Ausgangsstoffen für Elektrolyte und weitere Chemikalien umwandeln.

Bei den aus dem Lignin abgetrennten Zielmolekülen handelt es sich chemisch gesehen um Chinone. Diese bringen aufgrund ihrer Eigenschaften grundsätzlich ein hohes Potenzial für eine wirtschaftliche Batterieproduktion mit: Chinone lassen sich mit erheblich günstigeren Elektrodenmaterialien als herkömmliche Aktivmaterialien kombinieren. Zudem handelt es sich im Vergleich zu Metallionen um deutlich größere Moleküle, sodass man auch günstigere Membranen für den Ladungsausgleich in den Batteriezellen verwenden kann. Zudem sind die organischen Elektrolyte weder brennbar noch explosiv.

Die CMBlu Energy AG entwickelt als Organic-Flow-Batterien bezeichnete, bis in den Gigawattbereich skalierbare, stationäre Stromspeicher für den Markt. Als Elektrolyte kommen bislang noch organische Moleküle auf Basis fossiler Rohstoffe zum Einsatz. Mit Elektrolyten auf Lignin-Basis würden die Großstromspeicher ihren Beitrag zur Energiewende künftig auch in Bezug auf ihre eigene Rohstoffbasis nachhaltig leisten können. Vor dem Hintergrund kritischer Diskussionen zu Batterierohstoffen dürften Akteure in der Energiewirtschaft mit Spannung auf das Projekt schauen.

Die einzelnen Projektpartner fokussieren sich im Rahmen des Vorhabens auf unterschiedliche Schwerpunkte:

• CMBlu erforscht die Reaktionsführung und -optimierung im kontinuierlichen Membranreaktor, Substituenten für Elektrolyte auf Ligninbasis für eine gute Wasserlöslichkeit und zur Verschiebung des elektrochemischen Potentials sowie optimierte Elektroden für Chinonelektrolyte.
• Die TH Mittelhessen konzentriert sich zum einen darauf, mittels keramischer Membranen die bei der Fragmentierung entstehenden Zielprodukte (Syringaldehyd, Vanillin) sowie die Nebenprodukte, beispielsweise Furfural, Syringasäure, Vanillinsäure, aus dem Prozess abzutrennen. Zum anderen werden Verfahren entwickelt, um im Einsatz verbrauchten bzw. degradierten Elektrolyten aus dem Prozess auszuschleusen und einer Regeneration zuzuführen.
• Die MANN+HUMMEL GmbH entwickelt keramische Membranen und Membranmodule, welche bei der Aufbereitung und Filtration des Lignins und bei der thermisch-chemischen Umwandlung zu Zwischen- und Endprodukten im Rahmen der Elektrolytherstellung eingesetzt werden. Diese Membranen erfordern eine hohe Beständigkeit gegenüber den hohen Prozesstemperaturen und den vorliegenden chemischen Substanzen.
• Die AG Janek / Nachwuchsgruppe Schröder an der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU) wird sich mit der Charakterisierung der eingesetzten Elektrodenmaterialien sowie der elektrochemischen Analyse der organischen Aktivmaterialien in verschiedenartigen Lösemitteln beschäftigen.
• Die AG Wegner der JLU beschäftigt sich mit der Synthese von neuen Leitstrukturen organischer Aktivmaterialien und ihren Struktur-Eigenschafts-Beziehungen sowie der metallfrei katalysierten Ligninspaltung.
• Zur Optimierung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen von Elektrolyten und zum Verständnis möglicherer Degradationsmechanismen werden in der AG Mollenhauer der JLU quantenchemische Rechnungen durchgeführt.
• Die Johannes Gutenberg-Universität Mainz entwickelt elektrochemische Syntheserouten zur effizienteren und nachhaltigeren Gewinnung Chinon-basierter Aktivmaterialien und stellt Analyseverfahren zur Erforschung von Degradationsmechanismen zur Verfügung.

Das Vorhaben „Neuartige Lignin-basierte Elektrolyte für den Einsatz in Redox-Flow- Batterien (FOREST II)“ wird vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) über den Projektträger Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR) gefördert.

Quelle: CMBlu – Pressemitteilung vom 22.10.2020