Elastische Nano-Schichten für bessere Li-Ionen-Akkus

Presseaussendung der TU Wien vom 23.09.2019

An der TU Wien wurde eine Messmethode entwickelt, durch die es nun möglich werden soll, die Speicherkapazität von Lithium-Ionen-Akkus deutlich zu vergrößern.

Sie liefern Energie für unsere Elektroautos, für unsere Handys und Laptops: Mit Lithium-Ionen-Akkus haben wir Tag für Tag zu tun. Es gibt interessante Ideen aus der Materialforschung, mit denen man die Energiespeicher-Kapazität dieser Akkus deutlich erhöhen könnte, etwa indem man die bisher in den Akkus eingebaute Graphit durch Silizium ersetzt. Allerdings muss dafür eine ultradünne Grenzschicht rund um die Elektroden genau analysiert und optimiert werden, und dafür gab es bisher keine passenden Untersuchungsmethoden.

An der TU Wien wurde nun in Zusammenarbeit mit der Universität Hasselt in Belgien eine Technik entwickelt, mit der man die physikalischen Eigenschaften dieser Schichten genau vermessen kann. Ein Kraftmikroskop übt eine genau definierte Kraft aus, gleichzeitig wird mit Hilfe von Lichtwellen exakt registriert, wie sehr sich das Material infolgedessen verformt. Damit wird es nun möglich, nach passenden Elektrolyten zu suchen, mit denen man die Kapazität von Li-Ionen Akkus deutlich verbessern könnte – theoretisch bis zu einem Faktor sechs.

Wie viele Ionen haben Platz?

„Der Lithium-Ionen-Akku ist eine Erfolgsgeschichte“, ist Prof. Markus Valtiner vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien überzeugt. „Aber egal wie gut ein Akku ist, man wünscht sich immer einen noch besseren. Um der e-Mobilität zum Durchbruch zu verhelfen wollen wir natürlich das theoretische Maximum erreichen.“

In einem voll aufgeladenen Lithium-Ionen-Akku werden die Lithium-Ionen derzeit in Graphit gespeichert um dort Elektronen zu stabilisieren. Während der Akku aufgeladen wird, wandern mehr und mehr Lithium-Ionen und Elektronen in den Graphit und speichern so elektrische Energie.

Im Graphit bilden jeweils sechs Kohlenstoff-Atome einen Ring, in dessen Mitte ein Elektron und ein Lithium-Ion festgehalten werden kann. Das ist aber nicht die effizienteste Art, Elektronen durch Lithium-Ionen zu stabilisieren. „Kleine Silizium-Kristalle wären eigentlich besser geeignet“, sagt Markus Valtiner. „Pro Silizium-Atom könnte man ein Lithium-Ion speichern, damit ließe sich die Speicherkapazität theoretisch auf das Sechsfache steigern.“

Das Problem daran ist: Im Gegensatz zu Graphit werden Silizium-Körnchen in einer Batterie bei der Lithiumaufnahme bis zu viermal größer und können dabei einfach zerbröseln. Man könnte sich damit helfen, das Silizium nicht vollständig zu laden, oder durch ausgeklügelte Nanostrukturen stabilere Partikel herzustellen – wenn man dabei nicht noch auf eine weitere Schwierigkeit stoßen würde. Die Elektroden-Körnchen in der Batterie sind nämlich auch noch mit einer nanometerdünnen Schicht umhüllt.

In einem Lithiumionen Akku sind die Materialien in ständigem Kontakt mit dem flüssigen Elektrolyten, in dem beim Lade- und beim Entladevorgang komplexe chemische Abbaureaktionen ablaufen. Und so bildet sich an der Oberfläche der Elektroden immer ein dünner Film aus ionenleitfähigen Abbauprodukten. Auf Graphit ist diese Schicht – ähnlich einer Passivschicht auf Edelstahl – nach wenigen Ladezyklen stabil und wächst nicht mehr weiter. Doch wenn man Silizium-Körnchen verwendet, die ihr Volumen drastisch vergrößern, reißt diese dünne Grenzschicht immer wieder auf, an den Rissen bildet sich eine neue Schicht. Damit wird bei jedem Ladezyklus ein bisschen Elektrolyt aufgebraucht, und das führt zu einer kurzen Lebensdauer des Akkus.

Bessere Elektrolyte für elastische Grenzschichten

„Optimal wäre eine elastische Grenzschicht, die keine Risse bekommt, wenn das Silizium-Körnchen wächst“, sagt Markus Valtiner. Erreichen könnte man das durch die Entwicklung spezieller Elektrolyte die diese Schicht elastisch machen – und dafür wurde an der TU Wien nun das passende Messgerät entwickelt. In einem speziellen Rasterkraftmikroskop kann man nun die elastischen Eigenschaften der Grenzschicht genau analysieren – insbesondere während des Auf- und Entladens. Eine spezielle Konstruktion erlaubt es, Wachstum und Elastizität der Grenzschicht auf winziger Größenskala zu vermessen, während eine Kraft auf sie ausgeübt wird. Damit will das Team von Markus Valtiner nun in Zusammenarbeit mit Frank Renner aus Hasselt (Belgien) unterschiedliche Material-Varianten untersuchen und passende Elektrolyten für Silizium-basierte Lithium-Ionen-Akkus finden.

„Die Forschung auf diesem Gebiet ist derzeit extrem spannend“, sagt Valtiner. „An manchen Technologien, etwa an Verbrennungsmotoren, kann man kaum noch etwas verbessern, weil sie bereits seit Jahrzehnten optimiert werden. Doch bei Lithium-Ionen-Akkus gibt es noch großes Potenzial.“ Eine Steigerung der Batteriekapazitäten um das Doppelte hält Markus Valtiner jedenfalls für realistisch. Erste Ergebnisse zeigen schon heute, dass mit siliziumbasierten Akkus um 15-50% höhere Speicherdichten erreicht werden können, und erste Markteinführungen dieser Technologie sind in den nächsten 3-5 Jahren zu erwarten. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
B. Moeremans et al., In Situ Mechanical Analysis of the Nanoscopic Solid Electrolyte Interphase on Anodes of Li‐Ion Batteries, Advanced Science 6, 1900190 (2019).

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Strom aus Stoff

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.08.2019

LKW-Planen als Stromerzeuger? Neuartige textile Solarzellen von Fraunhofer-Forscherinnen und -Forschern aus Dresden machen es möglich: Über sie könnten die Anhänger den benötigten Strom – etwa für Kühlaggregate – autark erzeugen. Kurzum: Textile Solarzellen erweitern die Möglichkeiten enorm, Strom aus der Sonnenstrahlung zu gewinnen. Sie stellen somit eine sinnvolle Ergänzung zu herkömmlichen Siliziumzellen dar.

Solarzellen auf den Dächern sind längst Usus, ebenso wie große Solarparks. Künftig sollen jedoch auch solche Flächen zur Energieerzeugung genutzt werden, die bislang nicht dazu taugten. LKW-Planen etwa könnten die Anhänger autark mit dem Strom versorgen, den der Fahrer während der Fahrt und auf Rastplätzen verbraucht oder der auf Logistikplätzen für die LKW-Ortung benötigt wird. Zudem könnten ganze Gebäudefronten zur Stromerzeugung beitragen, indem sie nicht wie bisher verputzt, sondern mit stromerzeugenden Abspanntextilien verkleidet werden. Bei Glasfassaden könnten Abschattungstextilien wie Rollos Hunderte von Quadratmetern in Stromerzeugungsflächen umwandeln.

Glasfasergewebe als Solarzellenbasis

Möglich machen es textile, biegsame Solarzellen, die Forscherinnen und Forscher vom Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS entwickelt haben – gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS, dem Sächsischen Textilforschungsinstitut e.V. und den Firmen erfal GmbH & Co. KG, PONGS Technical Textiles GmbH, Paul Rauschert GmbH & Co. KG und GILLES PLANEN GmbH. »Über verschiedene Beschichtungsverfahren können wir Solarzellen direkt auf technischen Textilien herstellen«, erläutert Dr. Lars Rebenklau, Gruppenleiter für Systemintegration und AVT am Fraunhofer IKTS. Sprich: Die Forscher verwenden kein Glas oder Silizium wie bei herkömmlichen Solarmodulen, sondern Textilien als Substrat. »Das jedoch ist alles andere als leicht – schließlich sind die Anlagen in den textilverarbeitenden Unternehmen mit fünf bis sechs Metern Stoffbreite und Stofflängen von tausend Metern riesig groß. Dazu kommt: Die Textilien müssen während der Beschichtung Temperaturen von etwa 200 Grad Celsius überstehen«, ergänzt Dr. Jonas Sundqvist, Gruppenleiter für Dünnschichttechnologien am Fraunhofer IKTS. Auch andere Anforderungen wie Brandschutz-Vorschriften, große Stabilität und ein günstiger Preis sind für die Herstellung von Solarzellen elementar. »Wir haben uns im Konsortium daher für ein Glasfasergewebe entschieden, das all diese Anforderungen erfüllt«, sagt Rebenklau.

Bewusst auf Standardverfahren gesetzt

Eine Herausforderung stellte auch das Aufbringen der verschiedenen Schichten einer Solarzelle auf das Gewebe dar – also die Grundelektrode, die photovoltaisch wirksame Schicht und die Deckelektrode. Denn verglichen mit diesen nur ein bis zehn Mikrometer dünnen Schichten gleicht die Oberfläche eines Textils einem riesigen Gebirge. Die Forscher greifen daher zu einem Trick: Sie bringen zunächst eine Einebnungsschicht auf das Textil auf, die Berge und Täler ausgleicht. Dazu nutzen sie den Transferdruck – ein Standardverfahren der Textilbranche, das auch zum Gummieren verwendet wird. Auch alle weiteren Produktionsprozesse haben die Forschenden von Anfang an so gestaltet, dass sie sich problemlos in die Fertigungslinien der Textilindustrien einfügen lassen: So bringen sie die Elektroden aus elektrisch leitfähigem Polymer ebenso wie die photovoltaisch wirksame Schicht über das gängige Rolle-zu-Rolle-Verfahren auf. Um die Solarzelle möglichst robust werden zu lassen, laminieren die Forscherinnen und Forscher zusätzlich eine Schutzschicht auf.

Marktreife Solartextilien in etwa fünf Jahren

Den ersten Prototyp hat das Forscherteam bereits hergestellt. »Wir konnten zeigen, dass unsere textile Solarzelle an sich funktioniert«, sagt Rebenklau. »Ihre Effizienz liegt momentan bei 0,1 bis 0,3 Prozent.« In einem Nachfolgeprojekt arbeiten der Ingenieur und seine Kollegen nun daran, die Effizienz auf über fünf Prozent zu steigern – denn ab diesem Wert rechnet sich die textile Solarzelle. Zwar erreichen Siliziumzellen mit zehn bis 20 Prozent deutlich höhere Effizienzwerte. Allerdings soll die neuartige Zelle ja nicht mit den herkömmlichen konkurrieren, sondern sie sinnvoll ergänzen. Auch die Lebensdauer der textilen Solarzelle wollen die Forscherinnen und Forscher in den kommenden Monaten untersuchen und optimieren. Wenn alles funktioniert wie erhofft, könnte die textile Solarzelle in etwa fünf Jahren auf den Markt kommen. Dann wäre das ursprüngliche Ziel des Projekts PhotoTex erreicht: Neue Anregungen für den Textilstandort Deutschland zu finden und die Wettbewerbsfähigkeit dieser Industriebranche zu steigern.

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Algen als Rohstoffquelle: Chemische Tricks aus dem Meer

Presseaussendung der TU Wien vom 09.07.2019

Algen könnten in Zukunft zum wichtigen Rohstoff werden – wenn man ihre Chemie versteht. Mit Beteiligung der TU Wien hat man nun entschlüsselt, wie Algen-Biomasse zerlegt wird.

Algen sind die Basis des Ökosystems im Meer. Sie speichern mehr Kohlenstoff als alle Landpflanzen zusammengenommen. Die Kohlenhydrate der Algen werden von Bakterien abgebaut, dadurch werden sie zur wichtigen Energiequelle für die gesamte marine Nahrungskette. Was bei diesem Abbau von Algen-Biomasse chemisch genau passiert, war bisher allerdings unbekannt.

Nun gelang es einem internationalen Forschungsteam, den kompletten Abbauweg eines wichtigen Polysaccharids zu analysieren und zu verstehen. Eine ganze Palette von Enzymen ist dafür notwendig, ihre biochemische Funktion konnte nun erstmals aufgeklärt werden. Mit diesem Wissen wird es nun möglich, Algen als Rohstoffquelle zu nutzen: Sie lassen sich für Fermentationen einsetzen, für die Herstellung wertvoller Arten von Zucker oder in Zukunft sogar auch für spezielle Bio-Kunststoffe. Das übergeordnete Ziel ist eine umweltschonende Kreislaufwirtschaft, in der man nachwachsende Rohstoffe möglichst vielfältig nutzt.

Das Forschungsprojekt wurde von der Universität Greifswald geleitet, beteiligt waren außerdem die TU Wien, das Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie (Bremen), die Universität Bremen, das Zentrum für Marine Umweltwissenschaften Marum und die Biologische Station Roscoff (Frankreich). Publiziert wurden die Forschungsergebnisse nun in der Fachzeitschrift Nature Chemical Biology.

Makromoleküle in ihre Puzzlesteine zerlegen

Den meisten Menschen fallen Algen normalerweise eher unangenehm auf – etwa dann, wenn sie bei einer Algenblüte in Küstennähe massenhaft wuchern. Aber in Zukunft könnte man Algenteppiche als willkommenen Ausgangsstoff für die Industrie verwenden. „Um Algen zu nutzen, muss man die großen Moleküle, die sie produzieren, in verwertbare Einzelteile zerlegen“, erklärt Christian Stanetty vom Institut für Angewandte Synthesechemie der TU Wien. „Das ist ein hochkomplizierter Vorgang – aber zum Glück haben wir die Natur als Vorbild: Bestimmten Bakterien gelingt das nämlich ganz ausgezeichnet.“

Das internationale Forschungsteam analysierte, wie das Meeresbakterium Formosa agariphila das Polysaccharid Ulvan abbauen, das von der Alge Ulva produziert wird. Dieser Abbauprozess ist ein kleines chemisches Kunststück: In mehreren Schritten unter Einsatz von zwölf verschiedenen Enzymen wird das Ausgangsmolekül in immer kleinere Puzzleteile zerlegt. „Unsere Aufgabe an der TU Wien war es, mit Hilfe von Kernspinresonanz-Spektroskopie (NMR) sowie Massenspektrometrie zu klären, wie diese Puzzleteile genau aussehen“, sagt Christian Stanetty. „Dabei haben wir einige Überraschungen erlebt – manche der Zerlegungsprodukte sahen anders aus als erwartet. Das zeigte uns dann, dass die Bakterien beim Abbau des Zuckers andere chemische Pfade einschlagen als gedacht.“

So konnte man auch herausfinden, welche Enzyme die Bakterien in welchem Schritt nutzen. „Damit verstehen wir nicht nur, wie diese Mikroorganismen Zugang zu dieser Nahrungsquelle erhalten. Die nun verfügbare Toolbox einer ganzen Palette an neuen Biokatalysatoren eröffnet jetzt die Möglichkeit, dieses komplexe marine Polysaccharid gezielt als Rohstoffquelle für Fermentationen zu verwenden“, sagt Prof. Uwe Bornscheuer von der Universität Greifswald.

Der Einsatz von Algen zur Synthese von Kohlenwasserstoffen ist völlig CO2-neutral. Wenn es gelingt, auf diese Weise Produkte zu erzeugen, die man bisher auf Basis fossiler Rohstoffe produziert hat, wäre das ein wichtiger Schritt für den Klimaschutz. „Das ist absolut realistisch“, glaubt Prof. Marko Mihovilovic von der TU Wien. „Vorerst wird man eher einfache Produkte nutzen, etwa spezielle Arten von Zucker. Aber je besser wir die Chemie dahinter verstehen, desto besser wird es gelingen, diese Algen auch als Ausgangsstoffe komplizierter Synthesen zu nutzen, bis hin zu Bioplastik.“

Das Ziel: die Kreislaufwirtschaft biogener Rohstoffe

Besonders wichtig für den Erfolg war die interdisziplinäre Zusammenarbeit: „Wissenschaftlich derart komplexe Fragestellungen kann man nur gemeinsam beantworten“, betont Marko Mihovilovic. „Schon lange arbeiten wir mit unseren Partnern aus Deutschland sehr erfolgreich zusammen. Das werden wir auch in Zukunft fortsetzen – so gelingen wesentliche Schritte vorwärts, hin zu einer nachhaltigen Chemie, die eine echte, ökologisch sinnvolle Kreislaufwirtschaft ermöglicht.“ (Florian Aigner)

Originalpublikation:
Stanetty et al., “A marine bacterial enzymatic cascade degrades the algal polysaccharide ulvan”, Nature Chemical Biology (2019).

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Grünen Strom rentabel zwischenspeichern

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 03.06.2019

Regenerative Energiequellen liefern nicht immer gleich viel Strom – dieser muss daher in Batterien zwischengespeichert werden. Lithium-Ionen-Akkus haben eine kurze Lebensdauer, Redox-Flow-Batterien waren bislang zu teuer. Neuartige Redox-Flow-Systeme liegen nun im selben Preisbereich wie Lithium-Ionen-Batterien, halten jedoch mehr als doppelt so lange. Volterion, einem Spin-Off des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT, ist es gelungen, die Herstellungskosten deutlich zu reduzieren.

Erneuerbare Energien nehmen einen immer größeren Stellenwert in unserer Stromerzeugung ein. Allerdings schwankt die erzeugte Strommenge stark – die elektrische Energie muss daher zwischengespeichert werden, bis sie benötigt wird. Auch für moderne Technologien wie die Elektromobilität sind leistungsfähige Batteriesysteme nötig: So ist das Stromnetz beispielsweise nicht für Schnellladestationen mit 350 Kilowatt ausgelegt. Zudem ist nicht überall dort, wo Schnellladestationen sinnvoll wären, ein Stromnetz vorhanden. Lithium-Ionen-Akkus eignen sich für solcherlei Anwendungen nur bedingt: Ihre Zyklenfestigkeit reicht nicht aus – würde man sie zwei- bis dreimal täglich be- und entladen, wären sie nach zwei bis drei Jahren kaputt. Anders dagegen Redox-Flow-Batterien: Sie bieten eine große Zyklenfestigkeit und sind zudem nicht brennbar, recycelfähig und ihre Kapazität und Leistung lässt sich gut anpassen. Sie eignen sich daher insbesondere für Anwendungen, bei denen die Batterie stark gefordert wird. Bisher waren sie jedoch schlichtweg zu teuer.

Neuartige Redox-Flow-Batterien werden erstmalig rentabel

Forscher des Fraunhofer UMSICHT in Oberhausen konnten die Kosten der Batterien nun deutlich senken. Hergestellt und vermarktet werden die neuartigen Redox-Flow-Batterien vom Fraunhofer-Spin-Off Volterion. Um zu verstehen, wie die Forscherinnen und Forscher Redox-Flow-Batterien optimiert haben, gilt es zunächst einmal einen Blick auf den Aufbau dieser Batterien zu werfen. Sie bestehen aus Stacks – Zellstapel, die den zu speichernden Strom in chemische Energie umwandeln, und Elektrolytflüssigkeit, die diese chemische Energie speichert. Für die hohen Kosten der Batterien sind vor allem die Stacks verantwortlich. »Wir konnten das Gewicht der Stacks auf zehn Prozent reduzieren und somit auch deren Kosten erheblich senken«, erläutert Dr. Thorsten Seipp, ehemals Wissenschaftler am Fraunhofer UMSICHT und nun Geschäftsführer bei Volterion. »Während herkömmliche Stacks oftmals pro einzelne Zelle acht bis zehn Millimeter dick sein müssen, kommen wir mit einer Stackdicke von zwei bis drei Millimetern aus.« Die neuartigen Redox-Flow-Batterien liegen durch diese Materialersparnis in der gleichen Preisklasse wie Lithium-Ionen-Akkus, halten aber mehr als doppelt so lange. Das heißt: Sie werden erstmalig für zahlreiche Anwendungen rentabel.

Der Clou liegt in der Materialentwicklung

Der Clou lag vor allem in der Materialentwicklung. Üblicherweise bestehen die Stacks aus einer Graphit-Kunststoff-Mischung. Durch die Verarbeitung büßen die Materialien ihre polymeren Eigenschaften allerdings ein. Sprich: Die langen Polymerketten werden zerstört, das Material verliert seine Flexibilität und auch einen Teil seiner Stabilität. Zudem lässt es sich nicht verschweißen, sondern muss mit Dichtringen versehen und verschraubt werden. »Wir haben das Material und den Herstellungsprozess am Fraunhofer UMSICHT so angepasst, dass die polymeren Eigenschaften erhalten bleiben. Das heißt: Das Material bleibt stabil und flexibel, kann somit erheblich dünner ausgelegt werden und die Stacks lassen sich miteinander verschweißen. Schnell verschleißende Dichtungsringe sind unnötig«, so Seipp. Das lässt die Stacks nicht nur kostengünstiger, sondern auch deutlich robuster werden.

Vom Klärwerk bis zu MRT-Untersuchungen

Eingesetzt werden die neuartigen Redox-Flow-Batterien unter anderem in einer Kläranlage. Dort wird Strom aus Methan produziert, künftig sollen auch Photovoltaikanlagen zur Energieerzeugung beitragen. Hier soll eine 100-Kilowatt-Batterie gleich zweierlei Schwankungen ausgleichen: Die der Stromerzeugung und die des Stromverbrauchs. Somit kann die Kläranlage künftig ihren gesamten Energiebedarf selbst decken.

Auch bei MRT-Scannern in Kliniken ist eine Redox-Flow-Batterie vielfach lohnenswert. »Jedes MRT-Gerät hat eine Leistung von 200 Kilowatt – sollen drei oder vier Geräte gleichzeitig laufen, ist die Leitung schnell überlastet. Eine neue Stromleitung zu legen ist jedoch mit 80.000 Euro pro Kilometer extrem teuer. Hier ist eine Redox-Flow-Batterie eine gute Alternative«, sagt Seipp. Denn die MRT-Geräte laufen jeweils einige Minuten, verbrauchen in dieser Zeit sehr viel Strom und werden dann bis zur nächsten Untersuchung wieder ausgeschaltet. Die Batterie durchläuft also zahlreiche Be- und Entladezyklen täglich. »Unsere optimierten Batterien sind wie geschaffen dafür – ebenso wie für andere Anwendungen, in denen kurzfristig viel Energie nötig ist, die das Netz nicht zuverlässig liefern kann«, fasst Seipp zusammen.

Momentan arbeiten die Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer UMSICHT gemeinsam mit den Kollegen von Volterion daran, die Kosten für die Batterien noch weiter zu senken. Auch wollen sie die Größen der Anwendungen skalieren: Momentan sind die Batterien auf 100 bis 300 Kilowatt ausgelegt, künftig sollen sie auch im Megawattbereich nutzbar sein.

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Ökologische Klebstoffe aus Pflanzenöl

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 02.05.2019

Die Nachfrage nach grünen Produkten steigt. Doch nachhaltig sind Waren erst dann, wenn die verwendeten Klebstoffe und Lacke ebenfalls aus biobasierten Rohstoffen hergestellt werden. Materialkonzepte aus Fraunhofer-Laboren sollen helfen.

Bioprodukte boomen. Denn statt Massentierhaltung und Chemikalien-Cocktails auf den Feldern wünschen sich viele Verbraucher sattgrüne Weiden für die Tiere, möglichst unbehandeltes Obst und Gemüse sowie Textilien aus ökologisch erzeugter Baumwolle. Allerdings ist es nicht damit getan, Kunststoffe durch Materialien wie Holz oder Kork zu ersetzen. Wirklich nachhaltig sind die Produkte nur dann, wenn auch die Klebstoffe und Lacke aus biobasierten Rohstoffen hergestellt werden.

Bisher bestehen Klebstoffe und Co. meist aus duroplastischen Epoxidharzen auf Erdölbasis. Einfacher gesagt: aus Kunstharzen, die sich – einmal erwärmt – nicht mehr verformen lassen. Als Bausteine für diese Epoxidharze dienen Monomere. Gibt man einen Härter hinzu, vernetzen sich die Einzelmoleküle zu einem festen Kunststoff, der sich nicht mehr aufschmelzen lässt. Über zugegebene Funktionsstoffe lassen sich die Eigenschaften feinjustieren und an die jeweiligen Anwendungen anpassen. So können sie die Epoxidharze färben, vor Feuer schützen oder dafür sorgen, dass sie sich besser verarbeiten lassen.

Pflanzenölepoxide mit naturbasierten Additiven

Doch lassen sich solche Epoxidharze auch auf ökologische Weise herstellen? Einen neuartigen Ansatzpunkt gibt es bereits: die Pflanzenölepoxide, also die ökologische Variante der herkömmlichen Epoxidharze. Basis bilden Pflanzenöle, die einen hohen Anteil an ungesättigten Fettsäuren haben. Diese Fettsäuren werden epoxidiert, also mit einem Drei-Ring aus zwei Kohlenstoffatomen und einem Sauerstoffatom versehen. Kombiniert man diese Pflanzenölepoxide mit entsprechenden Härtern, entstehen hochbelastbare Kunststoffe. Nachhaltige Klebstoffe, Lacke oder auch Schaumharze rücken somit in den Bereich des Möglichen. Doch die chemische Zusammensetzung von natürlichen Rohstoffen kann stark schwanken, schließlich werden sie aus der Saat von Ölpflanzen extrahiert. Dies stellt Produzenten vor große Herausforderungen.

Ökologische Klebstoffe mit optimalen Eigenschaften

Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer-Instituts für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS nehmen die Eigenschaften solcher neu entwickelter biogener Harze daher genau unter die Lupe. »Wir untersuchen die Harze von der Mikro- bis zur Makroebene«, bestätigt Andreas Krombholz, Gruppenleiter am IMWS. Wie wirken sich die variierenden Inhaltsstoffe auf die Harze aus? Ist dieser erste Schritt getan, optimiert das IMWS-Team die Harze und passt sie an die Verarbeitungsverfahren an.

Zudem entwickeln die Fraunhofer-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler aus den Pflanzenölepoxiden neuartige Klebstoffe. So sind alle diese Klebstoffformulierungen aus den Fraunhofer-Laboren vollkommen frei von Lösungsmitteln. Weiterhin widmen sich die Forschenden der Frage: Welche Füll- und Funktionsstoffe bieten welchen Nutzen? Ein solcher wäre beispielsweise eine hohe elektrische Leitfähigkeit: Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung lässt sich die Klebschicht von innen heraus aufheizen – und härtet somit schnell und gezielt aus. Oder aber man bringt modifiziertes Thymianöl in den Kleber ein. So erhält er eine antibakterielle Wirkung.

Epoxidierung auf Enzyme umgestellt

Der biobasierte Anteil der aus den Pflanzenölepoxiden gefertigten Klebstoffen liegt mittlerweile bei 86 Prozent, weil die Materialien viel Pflanzenöl enthalten und auch die bisher erdölbasierten Härterchemikalien gegen biobasierte Substanzen ausgetauscht wurden. Zum Vergleich: Bereits ab einem biobasierten Anteil von 35 Prozent gilt ein Material als nachhaltig. »Gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB haben wir die Epoxidierung erstmalig auf Enzyme umgestellt, wir können die Pflanzenöle also ohne Erdöl-basierende Chemikalien mit diesem Verfahren behandeln. Und da dies via Enzymen bei 40 Grad Celsius vonstatten geht statt bei über 100 Grad Celsius wie bisher, sparen wir zudem Energie«, erläutert Krombholz. Doch damit nicht genug: Bisher verwendete die Industrie Leinöl aus Kanada für die Pflanzenölepoxide – was schon allein im Hinblick auf die Lieferwege nicht ökologisch ist. Der Wissenschaftler und sein Team haben den Prozess daher von Leinöl auf Drachenkopföl umgestellt, das in Deutschland ökologisch hergestellt wird. Das verbessert zusätzlich die Umweltbilanz. Und den Härter, bislang ein hochgiftiges Produkt, haben die Expertinnen und Experten durch eine ökologische Variante ersetzt.

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