Akku Forscher am Ulmer Helmholtz-Institut entwickeln Batterie mit Apfelfüllung

Prof. Stefano Passerini hat die Entwicklung der „Apfelbatterie“ maßgeblich vorangetrieben. Zunächst werden Apfelreste getrocknet und verbrannt. Der so entstandene Kohlenstoff ist dann wesentlicher Bestandteil der negativen Elektrode einer Natrium-Ionen-Batterie (Bild unten rechts). In Versuchen brachten es die neuartigen Batterien auf über 1000 Ladezyklen.
Prof. Stefano Passerini hat die Entwicklung der „Apfelbatterie“ maßgeblich vorangetrieben. Zunächst werden Apfelreste getrocknet und verbrannt. Der so entstandene Kohlenstoff ist dann wesentlicher Bestandteil der negativen Elektrode einer Natrium-Ionen-Batterie (Bild unten rechts). In Versuchen brachten es die neuartigen Batterien auf über 1000 Ladezyklen. © Foto: Matthias Kessler (3)/© xiangdong Li / Fotolia.com (1)
CHRISTOPH MAYER 18.04.2016
Batterien, die zum Teil aus Apfelresten bestehen: Was wie ein Witz klingt, ist am Ulmer Helmholtz-Institut Realität. Ein Forscherteam arbeitet an umweltfreundlichen Speichertechnologien der Zukunft. <i>Mit Video</i>.

Beim Spazierengehen kommen einem manchmal die besten Ideen. Das gilt auch für Liming Wu. Der lief vor einigen Jahren durch einen herbstlichen Ulmer Park und sah jede Menge Äpfel auf dem Boden verrotten. Was für eine Energieverschwendung, dachte er sich. Die Biomasse könnte man sinnvoller nutzen. Es war, wenn man so will, die Geburt einer zunächst verrückt anmutenden Idee: Apfelreste für Batterien zu verwenden.

Schade, dass man Liming Wu nicht persönlich befragen kann. Der junge Mann, damals Doktorand am Helmholtz-Institut Ulm (HIU), forscht mittlerweile als Professor in China. Aber dass die Geschichte stimmt, dafür verbürgt sich sein ehemaliger Chef, Prof. Stefano Passerini. Der stellvertretende Direktor des HIU (siehe Infokasten) und sein Team haben Wus Eingebung vorangetrieben, unzählige Laborexperimente durchgeführt und gezeigt: Es funktioniert. Auch wenn bis zur industriellen Anwendung wohl einige Jährchen ins Land ziehen dürften, wie Passerini klarstellt. „Wir sind noch in der Versuchsphase.“

Ursprünglich bestanden Batterien aus Blei. Mit Beginn der 1990er Jahre gelang der Sprung zur Lithium-Ionen-Batterie, die seither den Markt dominiert und in so gut wie jedem Handy, Laptop und Co. steckt. Aus gutem Grund: Lithium-Ionen-Batterien wiegen nicht viel, sind mehrtausendfach wiederaufladbar, haben eine lange Lebensdauer. Aber auch einen Nachteil. Lithium ist teuer, denn die weltweiten Vorräte sind begrenzt. Zudem kann von Umweltfreundlichkeit keine Rede sein, denn Lithium-Ionen-Batterien enthalten in der Regel auch das Schwermetall Kobalt.

Schon länger gebe es daher Überlegungen wie auch bereits mehr oder weniger vielversprechende Ansätze, Lithium-Ionen-Batterien durch Natrium-Ionen-Batterien zu ersetzen, sagt Passerini. Für Laien sollte als Erklärung ausreichen, dass Natrium ähnliche Eigenschaften wie Lithium besitzt, der Rohstoff aber tausend Mal häufiger auf der Erde vorkommt und auch deutlich einfacher zu gewinnen ist.

An diesem Punkt kommen die Äpfel ins Spiel. Um zu funktionieren benötigen Natrium-Batterien nämlich eine alternative Elektrode, in der sich die Natrium-Ionen einlagern können, erklärt Passerini. Herstellen kann man diese Elektrode aus Kohlenstoff, zum Beispiel aus Graphit. Man kann allerdings auch Äpfel zu Kohlenstoff machen. Der ist sogar so batterietauglich, dass die Forscher selbst überrascht davon waren.

Wie’s funktioniert, erklärt Passerinis Kollege Dr. Daniel Buchholz, der anders als sein aus Rom stammender Chef Deutsch spricht. „Für die Herstellung der negativen Elektrode haben wir die Reste einiger Äpfel erst so lange getrocknet, bis sie zu 96 Prozent aus Kohlenstoff bestanden. Dann haben wir sie bei hohen Temperaturen zersetzt.“ Das so entstandene schwarze Pulver vermischten die Wissenschaftler mit einem leitfähigen Zusatz und einem Bindemittel und trugen es auf eine Folie auf. Auch für die positive Elektrode der Batterie entwickelte das HIU-Team ein umweltfreundliches Material. Es besteht aus verschiedenen Schichten von Natrium-Oxiden und kommt ohne Kobalt aus.

In Versuchen brachte es die neuartige Batterie auf über 1000 Lade- und Entladezyklen. Sie sei damit ein ernstzunehmender Konkurrent für die Lithium-Ionen-Batterie, sagt Passerini – auch wenn die mit gut 3000 Zyklen nach wie vor deutlich leistungsstärker sei. Für die kommende Generation der Elektroautos dürfte die Apfelbatterie deshalb wohl nicht in Frage kommen. Aber als Speicher von nicht genutzter Energie – etwa von Solaranlagen oder von Windrädern – seien solche stationären, umweltfreundlichen Akkus hoch interessant. Zumal die Herstellungskosten etwa 20 Prozent unter denen von Lithium-Ionen-Batterien liegen dürften.

Klar, dass sich auch die Industrie lebhaft für die Ulmer Apfelbatterie interessiert. Welche Firmen angebissen haben, will Passerini aber nicht verraten.

Außeruniversitäres Institut auf dem Campus

 

Batterieforschung Das auf dem Uni-Campus gelegene Helmholtz-Institut Ulm (HIU) beschäftigt sich mit der Erforschung und Entwicklung von elektrochemischen Batteriekonzepten der Zukunft. Effiziente Batterien gelten als Schlüssel für das Gelingen der Energiewende und der Elektromobilität. Ein internationales Team aus 125 Wissenschaftlern forscht im HIU an der Weiterentwicklung von Energiespeichern für den stationären und mobilen Einsatz.

Partner Das HIU wurde im Januar 2011 vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) gegründet. Partner sind die Uni Ulm, das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW). Als Helmholtz-Einrichtung wird das HIU zu 90 Prozent vom Bundesministerium für Bildung und Forschung, zu 10 Prozent vom Land Baden-Württemberg finanziert.