Superkondensatoren: Bierbrau-Abfälle sind ein nachhaltiger Rohstoff für Elektroden

Die Elektronen in vielen Akkus und Superkondensatoren bestehen aus kohlenstoffhaltigen Materialien wie Graphit, Nanokohlenstoffröhrchen oder Aktivkohle. Diese Materialien sind porös und haben eine große Oberfläche. Zudem sind sie sehr leitfähig und chemisch stabil. Sie können außerdem günstig hergestellt werden und basieren auf Rohstoffen, die reichlich vorhanden sind. Forscher:innen haben nun die beim Bierbrauen anfallenden Gerstenmalz-Reste als perfekten Rohstoff für Superkondensatoren und Batterien entdeckt. Aus dem sogenannten Biertreber lässt sich eine Aktivkohle herstellen, die sehr gut für die Elektroden solcher Stromspeicher geeignet ist.

Aktivkkohle aus Brauabfällen

Als Biertreber werden die beim Bierbrauen zurückbleibenden Reste des Gerstenmalzes bezeichnet. Er enthält hauptsächlich Spelzen der Getreidekörner sowie ungelöste Proteine. Der Biertreber wird bisher vor allem als Viehfutter oder in Biogasanlagen verwendet. Wegen seines hohen Anteils an organischen Kohlenstoffverbindungen kann er allerdings auch als Rohstoff für kohlenstoffhaltige Materialien für Elektroden eingesetzt werden.

„Wir erforschen bereits seit einigen Jahren, wie gut sich verschiedene biologische Rohstoffe für die Gewinnung kohlenstoffhaltiger Materialien, die wir bei der Herstellung von Energiespeicher benötigen, eignen. Und Brauereiabfälle erfüllen dafür wichtige Kriterien: In ihnen steckt das kohlenstoffhaltige Ausgangsmaterial, dass es braucht, um infrage zu kommen„, erklärt Andrea Balducci von der Universität Jena. Sie und ihr Team haben praktisch erforscht, wie gut sich aus Biertreber Aktivkohle gewinnen lässt und wie praktikabel der Einsatz des Materials in Stromspeichern ist.

Die Aktivkohle gewannen die Forscher:innen, indem sie den Biertreber trockneten, mahlten und dann unter Sauerstoffabschluss bei 500 Grad verkohlten. Die Aktivierung der Kohle erfolgte, indem das Team sie mit Kaliumhydroxid mörserten, unter Sauerstoffabschluss auf 800 Grad Celsius erhitzten und dann mit verdünnter Salzsäure und destilliertem Wasser neutralisierten.

Das so erhaltene Aktivkohlepulver verfügt über eine besondere Oberfläche: „Wir haben eine Oberfläche von rund 3.600 Quadratmetern pro Gramm und ein Porenvolumen von 1,8 Kubikzentimetern pro Gramm ermittelt. Das ist höher als bei den meisten bisher dokumentierten aus Biomasse gewonnenen Aktivkohlen„, so die Wissenschaftler:innen.

Praxistest verlief erfolgreich

Für den Praxistest stellten die Forscher:innen aus der Biertreber-Aktivkohle Elektroden für zwei verschiedene Typen von Superkondensatoren her, und zwar für Lithium-Ionen-Superkondensatoren (LIC) und für Elektrische Doppelschicht-Kondensatoren (EDLC). Diese beiden Typen sind in nahezu allen elektronischen Geräten verbaut. Das Team mischte die Aktivkohle mit Carboxymethylcellulose als Bindemittel. Die so entstandene Paste trugen die Forscher:innen dann auf Aluminium- oder Kupferfolien auf. Die so hergestellten Elektroden testeten sie dann in den Superkondensatoren.

Dabei zeigte sich, dass beide Stromspeicher mit der Biertreber-Aktivkohle eine hohe Kapazität hatten und diese Leistung auch bei hohen Ladungen und über mehrere Zyklen aufrecht erhielten. IM EDLC hatte die Aktivkohle-Elektrode bei 0,5 Ampere pro Gramm eine Kapazität von 46 Faraday pro Gramm. Auch nach 200 Stunden im Einsatz behielten die Elektroden 8 Prozent ihrer Kapazität, was nach Angaben des Teams mehr sei als bei vielen kommerziellen Aktivkohle-Elektroden. Beim Einsatz in einem LIC erreichte die Kapazität der Elektrode bei einem Ampere pro Gramm etwa 186 Faraday pro Gramm.

Guter Rohstoff für Elektroden

Die Forscher sind der Ansicht, dass diese Ergebnisse zeigen, dass Aktivkohle aus Biertreber gut als Material für Elektroden für Stromspeicher wie Doppelschicht-Kondensatoren und Lithium-Ionen-Superkondensatoren geeignet ist. „Wir werden in weiteren Projekten daran arbeiten, die Vorteile und Grenzen der Benutzung dieses reichlich vorhandenen Materials besser zu verstehen, so dass es dann möglicherweise stärker bei der Produktion nachhaltiger Energiespeicher einbezogen werden kann„, so Balducci.

Biertreber ist zudem in großen Mengen vorhanden. In der Europäischen Union fielen 2019 etwa 6,8 Millionen Tonnen davon an, in Deutschland waren es allein 1,5 Millionen Tonnen. Zudem sind Brauereien geografisch gut verteilt, was bedeutet, dass der Treber leicht verfügbar ist.

via Friedrich-Schiller-Universität Jena