Schlagwort: Graphitelektrode

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Nachhaltigkeitsanalyse von natürlich vorkommenden Graphit

Natürliches Graphitgranulat aus einer österreichischen Mine

DOI: 10.13140/RG.2.2.19123.59682

Bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien ist nicht nur Lithium ein entscheidender Rohstoff, sondern auch Graphit. Die weitverbreitete Verwendung von Graphit wird seinem niedrigen Preis, seiner natürlichen Verfügbarkeit, seiner hohen Energie- und Leistungsdichte sowie seiner langen Lebensdauer zugeschrieben. Das macht Graphit zu einer sehr vorteilhaften Wahl für Anoden in Lithium-Ionen-Batterien.

Als Alternativen zu Litium-Graphitanoden wurden Siliziumanoden in den letzten Jahren aufgrund ihrer hohen theoretischen Kapazität, Verfügbarkeit und niedrigen Kosten erforscht. Allerdings verringern Probleme wie Volumenausdehnung und Zuverlässigkeit die Chancen auf erfolgreich Kommerzialisierung insbesondere in Elektrofahrzeugen.

Batteriefähiges anodenaktives Material wird aus natürlich abgebautem oder synthetischem Graphit gewonnen. Graphit aus natürlichen Erzen hat in der Regel niedrigere Produktionskosten, jedoch auch eine geringere Reinheit und Qualität. Seine anisotrope Kristallstruktur kann die Leistung in Lithium-Ionen-Batterien beeinträchtigen, auch wenn es oft höhere Kapazitäten zuläßt. Dieser Vorteil geht jedoch typischerweise mit einer reduzierten Lebensdauer einher.

Im Gegensatz dazu ist synthetisches Graphit kostspieliger in der Herstellung, bietet jedoch eine deutlich höhere Reinheit und Konsistenz. Synthetisches Graphit wird aus Kohlenstoffvorläufern wie Petroleumkoks oder Steinkohleteer gewonnen, Aufgrund seiner höheren Reinheit hatte er im Jahr 2025 einen höheren Marktanteil von 60% am weltweiten  Umsatz. Der höher Anteil am Umsatz ist dabei auch den höheren Preisen geschuldet.

Durch seine isotrope Kristallorientierung besitzt synthetisches Graphit eine bessere thermische Stabilität, geringere thermische Ausdehnung und schnellere Lithiationskinetik. Infolgedessen bietet es eine insgesamt stärkere Batterieleistung und eine längere Lebensdauer, obwohl es in der Regel niedrigere Kapazitäten aufweist.

Da der Markt für Batterien wektweit wächst, müssen auch seine Lieferkette robust und nachhaltig sein. Kanada verfügt über reichhaltige Ressourcen an natürlichem Graphit, das in der Provinz Québec abgebaut und verarbeitet wird. Um die Umweltauswirkungen dieser neuen Lieferkette besser zu verstehen, wurde eine Nachhaltigkeitsanalyse für je eine Graphitmine und eine Graphitverarbeitungsanlage in Québec von Forschern der Concordia University in Montreal durchgeführt. Die Ergebnisse wurden kürzlich im Fachjournal MDPI Batteries publiziert.

Die Arbeit integrierte standortspezifische Daten zum Abbau und zur Verarbeitung (2022–2025) mit Ecoinvent in OpenLCA und konzentriert sich hauptsächlich auf das Ersatzpotenzial für Treibhausgase (CO₂‑Äquivalente) und die Wassernutzung.

Die Wissenschaftler zeigten, daß  die Produktion von einer Tonne anodenfähigen Graphits in Québec etwa 1,44 Tonnen CO₂-Äquivalente erzeugt. Das ist deutlich weniger als die 9,6 Tonnen CO₂, die pro Tonne chinesischen Graphits. Die Nachhaltigkeitsanalyse in Québec zeigt also eine erhebliche Reduzierung der Kohlenstoffintensität auf.

Die modellierte Kette umfaßte die Tagebaugewinnung durch Bohrungen, Sprengungen und Abfuhr, sowie die Aufbereitung durch Zerkleinerung, Mahlung, Flotation und Entwässerung. Schließlich wurde auch die finale Verarbeitung des anodenfähigen Graphits durch Mikronisierung und Spheronisierung, Reinigung durch Säureauslaugung und Karbon-Beschichtung, gefolgt von Endverarbeitung und Verpackung untersucht. Die Spheronisierung wandelt das Konzentrat in sphärische Graphitgranulate um, um die Schüttdichte und die Packeffizienz in der Anode zu erhöhen. Beträchtliche Nebenprodukte entstehen z.B. als Feinstoffe.

Innerhalb der Prozessanlage in Québec sind Mikronisierung und Spheronisierung, sowie Reinigung und Beschichtung die energieintensivsten Schritte. Reinigung Säurelaugung ist auch der größte Einzelbeitrag zu den CO₂- und Wasserknappheitsauswirkungen. Allerdings mildert die sehr niedrige Kohlenstoffintensität des Netzes (Wasserkraft) stark den Fußabdruck dieser elektrischen Lasten. Im Gegensatz dazu bleibt Erdgas, das für die Hochtemperaturreinigung und Beschichtung verwendet wird, die größte direkte CO₂-Quelle.

Der CO₂-Ausstoß beim Bergbau wird hauptsächlich durch Diesel in Lastwagen und schweren Geräten verursacht. Detaillierte Ausrüstungsdaten zeigten, daß der Abtransport den Treibstoffverbrauch dominiert. Die Wasserwirkungen beim Konzentrator sind aufgrund der Flotation und der Abraumbehandlung erhöht. Jedoch reduzierten ein geschlossenes Wassersystem und eine dedizierte Abwasserbehandlung die Entnahme von Frischwasser und Belastungen durch Abwässer.

Die Forscher interpretierten zudem die Ergebnisse ihrer Nachhaltigkeitsanalyse, um die Auswirkungen zu bewerten, Nahhaltigkeitsschwerpunkte zu identifizieren und die Phasen mit der höchsten Ressourcenintensität bzw. den höchsten Emissionsprofilen zu bestimmen. Diese Analyse erleichterte die Darstellung von umweltbelastenden Zwischenschritten. Erdgas, das für die Reinigung und Beschichtung in der Verarbeitungsanlage verwendet wird, war der größte CO₂-Quelle, gefolgt von Diesel- und Stromverbrauch.

Neben Graphit spielt aber auch der Abbau von Lithium und Spurenelementen eine erheblich Rolle bei der Nachhaltigkeit von Batterien. Diese waren jedoch nicht Gegenstand der Untersuchung. Allerdings dominiert Graphit den Markt für Anodenmaterialien und macht bis zu 98% des Marktanteils aus, während Li4Ti5O12 nur etwa 2% einnimmt.

Die Studie schloß mit einer integrierten Synthese der Ergebnisse ab und gab gezielte Empfehlungen zur Prozeßoptimierung, Emissionsreduzierung und Verbesserung der Nachhaltigkeit über die gesamte Lieferkette. Diese systematische und transparente Methodik gewährleistete eine robuste Bewertung der Umweltbelastung durch die Produktion von anodenfähigen Graphit.

Trotz des erheblichen Rückgangs der CO₂-Emissionen im Vergleich zum Graphitabbau und -verarbeitung in China hebt die Forschung weitere Verbesserungsmöglichkeiten hervor. Insbesondere durch die Elektrifizierung von Bergbaugeräten zur Reduzierung des Dieselverbrauchs und die Minimierung oder Substitution des Erdgasverbrauchs während der Reinigung und Beschichtung an der Anlagenstelle könnten CO₂-Emissionen weiter reduziert werden.

Bei Frontis Energy beobachten wir intensiv die Dekarbonisierung und Diversifizierung von Lieferketten und liefern Produkte aus verschiedenen Quellen.

Vegh, et al., 2026, Toward sustainable anode materials: LCA of natural graphite processing in Québec, MDPI Batteries, 12, 68. DOI: 10.3390/batteries1202006

Bild: Natürliches Graphit aus einer österreichischen Mine

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Bioelektrischer Alkohol als Flüssigkraftstoff mit Hilfe von Hefen

Hefen wie Saccharomyces cerevisiae werden, wie der Name erraten läßt, zur Herstellung von Bier und anderen alkoholischen Getränken im großen Maßstab eingesetzt. Ihre hohe Salz- und Ethanoltoleranz macht sie dabei aber nicht nur für die Herstellung von Getränken nützlich, sondern auch für hohe Alkoholkonzentrationen bei der Produktion von Kraftstoffen. Wie wir schon berichteten, sind dabei neben dem bekannten Ethanol besonders auch die langkettigen Fuselalkohole interessant. Schon heute wird Bioethanol mit Benzin gemischt und verbessert somit die CO2-Bilanz von Verbrennungsmotoren. Dieser flüssiger Biokraftstoff wird entweder aus Stärke oder Lignocellulose hergestellt. Die lokale Produktion und Verwendung von Bioethanol unterstützt lokale Volkswirtschaften, verringert den CO2-Ausstoß und fördert die Selbstversorgung. Letzteres ist besonders wichtig für ressourcenarme Binnenländer von Bedeutung.

Um Ethanol und andere Alkohole effizient aus Lignocellulose-Hydrolysaten herzustellen, müssen Hefen sowohl Glucose als auch Pentosen wie Xylose und Arabinose verwenden. Dies liegt daran, daß Biomasse sowohl reich an Lignocellulose und damit auch Glucose und Xylose ist. Dies ist allerdings auch der Hauptnachteil der Verwendung von Saccharomyces cerevisiae, da sie Xylose nicht fermentieren kann. Dementsprechend ist die Identifizierung von Hefestämmen, die sowohl Glucose als auch Xylose fermentieren können, von großer Bedeutung. Hocheffiziente Hefestämme können, z.B. in Co-Kulturen mit anderen Hefen, die zur Lignocellulosefermentation fähig sind, für die Ethanolherstellung verwendet werden. Eine solche Hefe ist z.B. Wickerhamomyces anomalous.

Um die Ethanolproduktion weiter zu verbessern, kann bioelektrische Fermentationstechnologie eingesetzt werden, die die traditionelle Fermentation unterstützt. Der mikrobielle Metabolismus kann so elektrochemisch gesteuert werden. Die Vorteile sind vielfältig. Die Fermentation wird durch das Anlegen eines elektrochemischen Potentials selektiv, wodurch sich die Effizienz der  von Zuckerverwertung erhöht. Zudem wird so der Einsatz von Additiven zur Kontrolle das Redoxgleichgewichts sowie des pH-Wertes minimiert. Auch das Zellwachstum kann dadurch verbessert werden.

Solche bioelektrischen Zellen sind galvanische Zellen. Die in der bioelektrischen Zelle verwendeten Elektroden können als Elektronenakzeptoren oder -quelle wirken. Solche elektrochemischen Veränderungen wirken sich nicht nur auf den Stoffwechsel und die Zellregulation aus, sondern auch auf die Wechselwirkungen zwischen den eingesetzten Hefen aus. Jetzt hat eine Forschergruppe aus Nepal (einem ressourcenarmen Binnenland) neue Hefestämme von Saccharomyces cerevisiae und Wickerhamomyces anomalous in einem bioelektrischen Fermenter verwendet, um die Ethanolproduktion aus Biomasse zu verbessern. Die Ergebnisse haben die Wissenschaftler im Fachmagazin Frontiers in Energy Research publiziert.

Für die Studie wurden Saccharomyces cerevisiae und Wickerhamomyces anomalus ausgewählt, da beide gute Ethanolproduzenten sind und von letzterer gezeigt wurde, daß sie Xylose in Ethanol umwandeln können. Nachdem die Forscher eine Spannung an das System angelegt hatten, verdoppelte sich die Ethanolproduktion durch die verwendeten Hefen. Beide Hefen bildeten einen Biofilm auf den Elektroden, was das System ideal für den Einsatz als Durchflußsystem macht, da die Mikroorganismen nicht ausgewaschen werden.

Saccharomyces cerevisiae, lichtmikroskopische Aufnahme, 600-fache Vergrößerung (Foto: Amanda Luraschi)

Die Forscher spekulierten, daß die erhöhte Ethanolproduktion durch die stärker angetrieben Umwandlung von Pyruvat zu Ethanol zu Stande kam − dem zentralen Stoffwechselmechanismus der Hefe. Dies führten die Forscher auf einen Beschleunigung der Redoxreaktionen an der Anode und Kathode zurück. Die zugeführte externe Spannung polarisierte die im Cytosol vorhandenen Ionen und erleichtert so den Elektronentransfer von der Kathode. Dies und die beschleunigte Glucoseoxidation führten wahrscheinlich zu einer erhöhten Ethanolproduktion.

Normalerweise wird Pyruvat in Gärhefen zu Ethanol umgewandelt. Eine externe Spannungseingabe kann die Kinetik des Glukosestoffwechsels in Saccharomyces cerevisiae sowohl unter aeroben als auch unter anaeroben Bedingungen zu steuern. Dabei spielen intrazelluläre wie das Transplasmamembran-Elektronentransfersystem eine wichtige Rolle für den Elektronentransport durch die Zellmembran. Das Elektronentransfersystem besteht aus Cytochromen und verschiedenen Redoxenzymen, die der Membran an bestimmten Stellen Redoxaktivität verleiht.

Die Autoren haben zudem festgestellt, daß eine erhöhte Salzkonzentration die Leitfähigkeit und damit die Ethanolproduktion fördert. Die erhöhte Ethanolproduktion aus lignocellulosehaltiger Biomasse könnte auch auf das Vorhandensein verschiedener Naturstoffe zurückzuführen sein, die das Wachstum von Hefestämmen fördern könnten. Wenn die Celluloseacetatmembran durch eine Nafion™-Membran ersetzt wurde, erhöhte dies die Ethanolproduktion ebenfalls. Das könnte auf einen verbesserten Transport von Xylose durch die Nafion™-Membran sowie auf die Abnahme des Innenwiderstands zurückzuführen sein. Eine weitere Steigerung der Ethanolproduktion wurde beobachtet, wenn der bioelektrische Reaktor mit feinen Platinpartikeln betrieben wurde, die auf die Platinanode aufgetragen waren, und Neutralrot auf der Graphitkathode abgeschieden wurde.

Hefekulturen von links nach rechts: Saccharomyces cerevisiae, Candida utilis, Aureobasidium pullulans, Trichosporum cutaneum, Saccharomycopsis capsularis, Saccharomycopsis lipolytica, Hanseniaspora guilliermondii, Hansenula capsulata, Saccharomyces carlsbergensis, Saccharomyces rouxii, Rhodotorula rubra, Phaffia rhodozyba, Cryptococcus laurentii, Metschnikowia pulcherrima, Rhodotorula pallida

Bei Frontis Energy denken wir, daß die vorliegende Studie vielversprechend ist. Für die Zukunft sollten aber langkettige Fuselalkohole in Betracht gezogen werden, da diese weniger flüchtig und besser mit derzeitigen Verbrennungsmotoren verträglich sind. Diese können zudem leicht in die entsprechenden langkettigen Kohlenwasserstoffe umgewandelt werden.