Ein Mädchen trägt eine Schutzbrille und Gummihandschuhe, während sie in einem Chemielabor steht.

Zucker als Antrieb: Erneuerbare Batterietechnik

An einem Dienstag im Juli 2015 machte ich mich auf die fast sechseinhalb Stunden lange Reise von zuhause nach Münster. Mit Straßenbahn, ICE, Regionalzügen und dem Bus kam ich schließlich endlich am JugendGästeHaus Aasee an. Meine Vorfreude war groß, die anderen vom ersten Teil des Workshops (hier nachlesen) wiederzusehen und in den nächsten Tagen wieder mit ihnen zu forschen.

Das Team des Batterie-Versuchs

Nachdem wir uns kurz begrüßt und unser Zimmer bezogen hatten, ging es auch direkt weiter ins MExLab der Uni Münster. Von dort aus stellten uns die beiden Betreuer Pia Bäune vom MExLab und Kolja Betrop vom Münsteraner Batterieforschungszentrum MEET zunächst einmal ihre Stadt vor: Dort gibt es fast 600.000 Fahrräder, gerade einmal halb so viele Einwohner, und davon sogar ein Viertel Schüler oder Studenten. Und zu diesen Lernenden kamen natürlich jetzt auch noch wir dazu – die Energie- und Mobilitätsgruppe des 2°Campus. Nachdem wir auch auch die Attraktion des Aasees direkt vor unserer Jugenherberge kennengelernt hatten – ein schwarzer Schwan, der sich in ein Tretboot verliebt hat – machte sich die Mobilitätsgruppe auch direkt weiter auf den Weg zum MEET, wo unser Arbeitsplatz für die Woche lag.

Zunächst durchliefen wir alle die notwendige Sicherheitseinweisung und fassten noch einmal das bisher Besprochene und Erarbeitete zusammen. Im ersten Block des 2° Campus hatten wir bereits die Idee entwickelt, aus Plastiktüten sogenannte Carbon Spheres herzustellen, um die heutigen Graphit-Anoden von Lithiumionenbatterien zu ersetzen. Kolja hatte im Voraus für uns überprüft, welche Gerätschaften uns am MEET zur Verfügung stehen würden und war leider auf ein größeres Hindernis gestoßen: Der Autoklav (ein Gerät zur Synthese des Anodenmaterials, vorstellbar als ein riesiger Schnellkochtopf), mit dem wir unsere Plastiktüten eigentlich erhitzen wollten, erreichte nur Temperaturen von bis zu 500°C. Leider reichte dies für unser Vorhaben nicht aus, denn um das Plastik wirklich so zu verändern, dass wir es für unsere Zwecke nutzen könnten, muss es über einen längeren Zeitraum auf mindestens 700°C erhitzt werden.

Zucker in Batterien

Eine Zuckerrüben-Ernte

Natürlich steckten wir trotzdem nicht sofort den Kopf in den Sand – in der Forschung muss man eben flexibel und kreativ sein! Schließlich kamen wir auf Zuckerrübensirup. Von den jährlich in Deutschland angebauten 29 Millionen Tonnen Zuckerrüben werden momentan etwa 5 Millionen Tonnen an Resten unverwendet entsorgt. Könnte man diese Verschwendung nicht stoppen und den vermeintlichen „Abfall“ nutzen!?

Es gibt bereits einige Untersuchungen, bei denen aus dem Zucker Glucose, den ihr alle in Form von Traubenzucker kennt, sogenannte Carbon Spheres hergestellt wurden. Carbon Spheres sind kugelförmige (oder auch „sphärische“) Kohlenstoffpartikel in einem ähnlichen Größenbereich wie Viren bis Bakterien. Sie unterscheiden sich untereinander in ihrer Struktur und Aussehen und stellen eine ideale Ausgangssubstanz zur Herstellung eines Anodenmaterials dar.

Warum sollte das nicht auch mit handelsüblichem Zuckerrübensirup funktionieren – einem Gemisch aus Glucose und Saccharose? Wenn sich unser Ansatz als richtig herausstellen würde, könnte man aus einem Teil der jährlich anfallenden riesigen Mengen an Zuckerrübenabfällen ein Anodenmaterial herstellen, das in Lithiumionenbatterien eingesetzt werden könnte. Sprich: In Zukunft könnten Autos mithilfe von nachwachsenden Zuckerrüben fahren. Anstatt aufs Brot schmieren wir unseren Zucker eben in unsere Batteriezelle!

Carbon Spheres unterm Elektronenmikroskop

Der Vorteil dabei: Momentan besteht die Anode der meist verwendeten Lithiumionenakkumulatoren aus Graphit: einem Mineral, das in den Batterien in einer stapelförmigen Schichtstruktur vorkommt und aus Erdölabfällen hergestellt wird. Nicht gerade nachhaltig. Unsere Zuckerrüben hingegen wachsen nach. Zudem waren wir von der neuen Idee insgesamt überzeugter als von unserem ursprünglichen Plastiktütenansatz: Je weniger Plastiktüten verwendet werden, desto weniger können in unsere Ozeane gelangen. Die Zuckerrübenabfälle sind hingegen ohnehin da und warten auf eine sinnvolle Verwendung.

Um herauszufinden, ob diese Idee in der Umsetzung tatsächlich möglich und auch effizient ist, haben wir uns also direkt an die Forschungsarbeit begeben: Kittel abholen, Schutzbrille auf die Nase und Handschuhe anziehen – schon konnte es losgehen. In den nächsten Tagen lernten wir fast das komplette MEET kennen. Vom Trockenraum über zahlreiche Öfen bis hin zum Rasterelektronenmikroskop (REM) – erst am Freitag, unserem leider letzten Tag, konnten wir uns endlich in all den Gängen, Räumen und Treppenhäusern selbstständig zurechtfinden.

Auf ins Experiment

Herstellung des „Slurry“

Als ersten Schritt unseres Herstellungsprozesses lösten wir den Zuckerrübensirup in Wasser auf und bestückten den Autoklaven damit, der unsere Probe 4 Stunden lang bei einer Temperatur von 198°C unter einem erhöhten Druck von etwa 14,4 bar aufheizte. Im Anschluss spülten, reinigten und trockneten wir das Produkt, erhitzten es in einem Ofen und betrachteten die Carbon Spheres unter dem REM. Wir mischten sie noch mit einem Bindemittel (E466, aus der Lebensmittelindustrie bekannt) und einem Leitruß, sodass wir das sogenannte „Slurry“ erhielten, das wir schließlich gleichmäßig auf eine Kupferfolie auftrugen. Nach weiterem Trocknen stanzten wir schließlich unsere Elektroden aus, bauten Testbatterien (Swagelok-Zellen) unter einer Argonatmosphäre und untersuchten sie abschließend.

Die Ergebnisse, die wir letztendlich erhielten, waren für den ersten Versuch überraschend gut. Zwar erreichen wir noch keine Werte, die momentan für die Industrie attraktiv wären, aber hinter der Idee steht auf jeden Fall Potential für erneuerbare Entwicklungen. Mit weiterer Forschung und politischen Anreizen könnte es durchaus möglich sein, dass in ein paar Jahren Autos mithilfe von Zuckerrübenabfällen angetrieben werden – nachhaltig und emissionsfreier als bisher. Bei all unserer Forschung durften wir ununterbrochen Fragen stellen, diskutierten über verschiedene Themen der Batterieforschung, der Elektromobilität und des Klimaschutzes und durften schließlich auch eine Fahrt im E-Auto des MEET-Managers genießen.

Arbeiten mit der „Glove Box“

Natürlich lief nicht alles glatt. Unser Autoklav verselbstständigte sich scheinbar und schaltete sich am Abend zu einem zweiten Durchlauf ein, sodass die gesamte eingestellte Prozedur noch einmal ablief. Auch der Ofen stellte sich quasi gegen uns und gab bei einer Temperatur von 500°C seinen Geist auf, anstatt unsere Probe auf die gewünschten 1200°C aufzuheizen. Aber schließlich gehört auch das zum Forschen, und darüber hinaus ist es nun ganz interessant zu untersuchen, wie sich diese versehentlichen Abweichungen auf unsere Probe auswirken. Auch die „außerplanmäßige“ Probe wird noch auf dieselbe Art untersucht wie die anderen, sodass wir mögliche Unterschiede auswerten können.

Die nächste Runde wartet schon

Alles in allem war der Aufenthalt in Münster äußerst lehrreich, informativ, spannend und nebenbei noch super lustig. Wir hatten in der Gruppe wahnsinnig viel Spaß, haben uns sowohl in der Mobilitätsgruppe, als auch mit der Energiegruppe sehr gut verstanden und fanden das gesamte Arbeitsklima, das uns im MEET erwartete, mehr als angenehm.

Zum einen war es wirklich äußerst schade, dass Münster so bald wieder verlassen mussten, gleichzeitig freuten wir uns aber natürlich auch alle darauf, wenig später nach Berlin zu fahren und die Teilnehmer*innen der anderen Gruppen wiederzutreffen und alles über ihre Forschung zu erfahren.

Effizienzwerte der konstruierten Batteriezelle

In Berlin angekommen, tauschten wir zunächst unsere Erfahrungen bei der experimentellen Arbeit aus – von den Forschungsergebnissen verrieten wir aber noch nicht allzu viel – das sollte erst als wissenschaftliche Präsentation in den folgenden Tagen geschehen. Am Sonntag besuchten wir noch das energieautarke Dorf Feldheim bei Treuenbrietzen in Brandenburg. Bei weiteren Aktionen, bei denen wir etwa die Natur am Wannsee entdeckten oder mehr über den Zusammenhang von Wirtschaft und Klimaschutz erfuhren, machten wir immer mehr spannende Erfahrungen.

Abschließend lässt sich sagen, dass wir alle von diesem zweiten Block des 2°Campus fast noch begeisterter waren als vom ersten und uns auf jeden Fall auf die weitere Arbeit und den letzten noch bevorstehenden Block freuen.