NSERC-DFG SUSTAIN: Kohlenstoffmaterialien aus Ölsand-basierten Asphaltenen für zukünftige Natriumbatterien - von mechanistischen Studien bis zur Lebenszyklusanalyse

• Antragsteller: Professor Dr. Jan Philipp Hofmann; Professor Martin Oschatz, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 534334554

Lithium-Ionen-Batterien (LIB) sind die derzeit etablierten elektrochemischen Energiespeicher. Es wird erwartet, dass die jährliche Nachfrage nach Lithium bis 2050 um den Faktor 18-20 steigen wird. Die begrenzte Verfügbarkeit von Lithium und die mit seiner Gewinnung verbundenen Umweltprobleme sind der Hauptgrund für die Erforschung alternativer Batteriesysteme wie der Natrium-Ionen-Batterie (NIB). Die Kommerzialisierung von NIBs ist im Gange und wird nur durch die etwas niedrigeren spezifischen Kapazitäten gegenüber LIB begrenzt. Als Anoden werden vor allem sogenannte "soft-" und "hard carbons" verwendet, die aus teuren natürlichen Ausgangsstoffen hergestellt werden. Als großer weltweiter Batterieproduzent besteht für die deutsche Wirtschaft ein großes Interesse, sich auch an der Kommerzialisierung umweltfreundlicherer Batteriesysteme wie NIB früh zu beteiligen. Der Preis ist neben der hohen spezifischen Kapazität und Stabilität ein wesentlicher Aspekt für die Kommerzialsierung von Batterien. Kostengünstige Ausgangsmaterialien sind von entscheidender Bedeutung. Ein solches Material sind potientiell die so genannten Asphaltene. In Alberta, Kanada, fallen täglich Kilotonnen Asphaltene als Nebenprodukt der Ölsandverarbeitung an. Technisch gesehen handelt es sich dabei um die Rohfraktion, die bei Zugabe eines Überschusses an n-Heptan ausfällt, aber in Toluol löslich ist. Asphaltene werden derzeit als Straßenbelag und als wasserdichte Beschichtung von Gebäudefundamenten verwendet. Der Bedarf entspricht jedoch nicht annähernd der erzeugten Menge. Daher werden Asphaltene häufig einfach verbrannt. Aus diesem Grund sind kanadische Forscher sehr daran interessiert, Asphaltene zu recyceln und neinzusetzen und damit ihren Lebenszyklus zu verlängern. OILSANDSBATT wird diese beiden Ziele in einer gemeinsamen Arbeit zwischen deutschen Batterie- und kanadischen Werkstoffexperten zusammenführen. Die Idee hinter dem Projekt ist es, eine einzigartige Synergie zwischen zwei Forschungsschwerpunkten Kanadas und Deutschlands zu schaffen, nämlich die wertschöpfende Aufwertung des Abfallprodukts Asphaltene bzw. die Entwicklung von Elektrodenmaterialien für zukünftige Batteriesysteme. OILSANDSBATT wird sich auf die Entwicklung von neuartigen NIBs konzentrieren, die aus Ölsand gewonnene Asphaltene für die Herstellung von Anodenmaterialien verwenden werden. Die wichtigsten wissenschaftlichen Ziele innerhalb des geplanten Projekts sind i) die Etablierung von aus Asphaltenen gewonnenen Kohlenstofffasern und kohlenstoffmodifizierten Kohlenstofffasern als Anodenmaterialien in NIB, ii) die Untersuchung der zugrundeliegenden Speichermechanismen, um eine gezielte Optimierung der Zellen im Hinblick auf eine hohe Energiedichte und Lebensdauer zu ermöglichen, und iii) die Abschätzung der CO2-Emissionen des Produkts auf der Grundlage einer LCA-Analyse, die auf den Daten aus den synthetisch und elektrochemisch orientierten Arbeitspaketen aufbauen wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Kanada
• Partnerorganisation: Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada
• Kooperationspartner: Professor Weixing Chen, Ph.D.; Professor Amit Kumar, Ph.D.