Linzer Forscher machen Lithium-Akkus giftstofffrei und die Herstellung energiesparender. Sie entwickelten ein Bindemittel für den stromführenden Pol (Kathode) aus einem Naturstoff, das bei moderaten Temperaturen in Wasser verarbeitet wird, statt wie das gängige fluorierte Material energieaufwendig in fortpflanzungsschädlichem Lösungsmittel. Akkus könnten damit auch haltbarer werden.
Als Grundbaustein des neuen Kathoden-Bindemittels dient eine Substanz aus Rizinusöl vom tropischen Wunderbaum, wie Klaus Bretterbauer und Felix Leibetseder vom Institut für Chemische Technologie Organischer Stoffe der Johannes Kepler Universität Linz im Fachmagazin „Advanced Energy Materials“ erklären. Sie heißt „11-Aminoundecansäure“ und wird zu langen Polymer-Ketten verknüpft.
„Das Bindemittel fungiert als Klebstoff, der die Materialien am Stromabnehmer hält“, sagte Leibetseder: „Damit verhindert es, dass während des Ladens und Entladens in der Batterie buchstäblich alles auseinanderfällt. Das neue Bindemittel haftet ungefähr zehnmal besser an den Aluminiumfolien, die in solchen Akkus als Stromabnehmer fungieren, als herkömmliches Polyvinylidenfluorid (PVDF, Anm.)“, erklärte Bretterbauer.
Dadurch werde die Wahrscheinlichkeit des Ausfalls eines Akkumulators durch Ablösen der Elektrode vom Stromabnehmer deutlich reduziert.
Frei von giftigen Chemikalien und wasserlöslich
Das gebräuchliche Material PVDF und die darin enthaltenen Verarbeitungshilfsstoffe gehören zudem zu den per- und polyfluorierten Alkylverbindungen, kurz PFAS, die wegen vieler gesundheitsschädlicher Wirkungen zunehmend in der Europäischen Union verboten werden. Um PVDF zur Elektronenherstellung verwenden zu können, wird außerdem ein Lösungsmittel namens N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) genutzt, das bekanntermaßen die Fruchtbarkeit verringert.
„Unser Bindemittel ist Fluor-frei und wasserlöslich“, so Bretterbauer. „Daraus ergibt sich der Vorteil, dass man bei der Herstellung Wasser statt NMP verwenden kann.“ Für das Produktionspersonal bestünde daher keine Gesundheitsgefährdung und es fielen keine giftigen Abfälle an. Wasser als Lösungsmittel könne zudem bei niedrigeren Temperaturen als NMP entfernt werden, wodurch die Herstellung der Elektrode weniger Energie benötige.
Besser recycelbar
Schließlich kann das Material zudem gut wiedergewonnen werden, wenn die Lebensdauer des Akkus zu Ende ist, weil es eben wasserlöslich ist. „Deshalb werden auch die seltenen kritischen Rohstoffe wie Lithium, Mangan und Kobalt aus den Batterien leichter zur Wiedergewinnung zugängig“, erklärt Bretterbauer. „Akkus mit PFAS sind hingegen schwer recycelbar und stellen vor allem wegen ihrer Giftigkeit ein hohes Risiko für die Umwelt dar.“
„In Summe ist unser Ansatz dadurch viel umweltfreundlicher“, so der Forscher. Auf der anderen Seite der Batterie, bei der Anode, habe man schon vor einiger Zeit Ersatz für gesundheitsschädliche Materialien gefunden. „Nun konnten wir auch für die positive Seite ein Material entwickeln, das unschädlich ist, aus einem nachwachsenden Rohstoff stammt, der kein Konkurrent der Nahrungsmittelproduktion ist, und das zudem noch eine bessere Haftung hat als das momentan verwendete Material.“
Vielfältig einsetzbar
Einschränkungen für die Verwendung des neuen Bindemittels sehen die Forscher keine. Das Material, das von der Grundlagenforschung bis zum Prototypen an der Uni Linz entwickelt wurde, könnte in Mobiltelefonen bis hin zu Elektroautos in den Akkus die Bestandteile zusammenhalten.
Derzeit testet man gemeinsam mit Karl-Heinz Pettinger von der Hochschule für angewandte Wissenschaften Landshut (Deutschland) Knopfzellen mit dem neuen Material und größere Akku-Prototypen, die von einer „zimmerfüllenden Maschine“ hergestellt werden, berichtete Leibetseder. Diese hätten sich so gut bewährt, dass man nun mit industriellen Partnern im Gespräch ist.
„Wir hoffen, dass wir mit jenen bald unsere Prototypen testen können, wie sie sich bei hohen Anforderungen, zum Beispiel im Automobilsektor, verhalten“, sagt Bretterbauer. Er sei optimistisch, dass „in naher Zukunft mit den neuen Batterien zu rechnen ist“.