Recycling: Ernteabfall ermöglicht bessere Akkus

Vielleicht verhelfen ja die Reisbauern dieser Welt den weit hinter den Erwartungen zurückliegenden Verkaufszahlen von Elektroautos zum Durchbruch. Die Fahrzeuge kämpfen nämlich mit einem gravierenden Problem: Ihre Akkus sind schwer, und dennoch können die Autos mit einer Ladung nicht allzu weit fahren. Die bei der Reisernte als Abfall anfallenden Spelzen könnten jedoch die Nennladung in den Lithium-Ionen-Akkus verzehnfachen. Das käme nicht nur den E-Autos zugute, sondern auch vielen mobilen Geräten vom Handy bis zur Kamera. Wie man solche Akkus mit deutlich höherer Kapazität herstellt, beschreiben Jang Wook Choi vom Korea Advanced Institute of Science and Technology in Daejeon und seine Kollegen in der Fachzeitschrift „PNAS“.

Die negative Elektrode in diesen Akkus besteht heute meist aus Graphit, jedes Gramm speichert eine Ladung von rund 370 Milli-Amperestunden (mAh/g). Ersetzt man Graphit durch Silizium, lassen sich theoretisch rund 4000 mAh/g erreichen. Allerdings nimmt die Kapazität eines solchen Akkus bei jedem Ladezyklus ab, weil die Kathode währenddessen bis zu 300 Prozent anschwillt und dann wieder schrumpft. Dabei entstehen Risse in der Elektrode, die so immer schlechter funktioniert.

Mehrere Forschergruppen versuchen daher, Elektroden nicht mehr aus solidem Silizium, sondern aus einem Material mit Nanostrukturen herzustellen, die solche Größenschwankungen besser verkraften. Das könnten Jang Wook Choi zufolge Reisspelzen sein. Sie hüllen die reifenden Körner der Pflanze ein und schützen sie vor Angriffen von Insekten und Bakterien. Um den Attacken zu trotzen, bestehen die Spelzen zu rund 20 Prozent aus dem harten Material Kieselerde. Das stellt die Pflanze aus Kieselsäure her, die sie mit den Wurzeln aus dem Boden holt. Im Lauf der Evolution haben die Spelzen winzige Nanoporen entwickelt. Durch sie dringt zwar Luft von außen zu den Körnern vor, die wichtige Feuchtigkeit im Inneren kann aber nicht entweichen.

Reisspelzen haben also genau die Nanostruktur, die Ingenieure für Hochleistungsakkus brauchen. Bisher fehlte jedoch eine Methode, um aus den Spelzen Elektroden zu machen. Die liefern jetzt Jang Wook Choi und Kollegen.

Im Labor laugen die Forscher die Spelzen zunächst mit Salzsäure aus und heizen sie danach drei Stunden auf 650 Grad Celsius auf. Mit dieser Prozedur entfernen sie die organischen Bestandteile wie Zellulose und Lignin sowie in den Pflanzenzellen vorhandene Metalle. Übrig bleibt zu 99,9 Prozent reine Kieselerde, in der alle Nanostrukturen erhalten sind. Im nächsten Schritt wird mithilfe von Magnesium bei Temperaturen von 850 Grad in einem dreistündigen Verfahren der Sauerstoff aus der Kieselerde entfernt. Übrig bleibt zu 99,5 Prozent reines Silizium, in dem noch immer die Nanostrukturen der Spelzen vorhanden sind. Am Ende umhüllen die koreanischen Wissenschaftler dieses Nano-Silizium mit Kohlenstoff. Die so entstandene Elektrode speichert eine Ladung von 1615 mAh/g, was immerhin viermal so viel ist wie bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus.

Noch handelt es sich um ein Laborverfahren, das in eine industrielle Fertigung gebracht werden müsste. Gelingt das, könnten Notebooks, Handys und Elektroautos mit dem bisherigen Akkugewicht erheblich länger laufen. Auch der Nachschub scheint gesichert: Jährlich könnte man aus den Ernteabfällen von Reis rund zehn Millionen Tonnen Nanostruktur-Silizium herstellen, schätzen die koreanischen Wissenschaftler. Bereits ein Prozent dieser Menge genügt, um damit alle in einem Jahr benötigten Hochleistungsakkus zu produzieren. Der Rest der Spelzen könnte, wie schon heute, als Dämmstoff oder Dünger genutzt werden.