PET-Flaschen könnten künftig in Batterieanoden landen

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Ausgediente PET-Flaschen könnten künftig als Ausgangsmaterial für Batteriekomponenten dienen. Forschende der Penn State University in den USA haben Polyethylenterephthalat, kurz PET, thermisch in hochgradig kristallinen graphitischen Kohlenstoff umgewandelt. Wegen der geordneten Struktur dieses Kohlenstoffs Materials hoffen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf eine mögliche Nutzung in Anoden von Lithium-Ionen-Batterien. Entsprechende elektrochemische Tests, die das belegen, müssen allerdings noch durchgeführt werden.

Forschende sind zuversichtlich

Die Forschenden haben untersucht, wie graphenbasierte Zusätze die Anordnung der Kohlenstoffatome während der Graphitisierung beeinflussen. Dabei entstanden große Kristallite mit gut ausgerichteten Kohlenstofflagen. Ihre Abmessungen übertrafen die Werte der in der Untersuchung verwendeten Naturgraphit-Referenz.

„Die meisten Menschen betrachten eine Kunststoffflasche als Abfall, sobald sie sie nicht mehr benötigen“, sagt Shakshi Sekar, Hauptautorin der Studie und Doktorandin am John and Willie Leone Family Department of Energy and Mineral Engineering der Penn State University. Das Material könne jedoch als Rohstoff für die Herstellung von Graphit genutzt werden, das für moderne Batterietechnologien benötigt werde.

Graphit speichert Lithiumionen in der Batterieanode

Graphit ist ein wesentlicher Bestandteil heutiger Lithium-Ionen-Batterien. Beim Laden lagern sich Lithiumionen zwischen den Kohlenstofflagen der Graphitanode ein. Beim Entladen werden sie wieder freigesetzt. Mit dem Ausbau von Elektromobilität, Unterhaltungselektronik und stationären Stromspeichern steigt der Bedarf an geeignetem Anodenmaterial heute immer weiter an.

Graphit wird vom US-Energieministerium als kritischer Mineralrohstoff eingestuft. Gleichzeitig gehört PET nach Angaben der National Association for PET Container Resources (NAPCOR) zu den weltweit am häufigsten verwendeten Kunststoffen.

Viele Verbraucherinnen und Verbraucher in den USA bringen leere Kunststoffflaschen zwar in die dafür vorgesehenen Sammelbehälter. Ein erheblicher Teil des Materials wird jedoch auf Deponien abgelagert oder zu Produkten mit geringerem Wert weiterverarbeitet.

Gleichzeitig gehört PET zu den verbreiteten Verpackungskunststoffen. Es kommt unter anderem in  Getränke-, Lebensmittel- und Kosmetikverpackungen zum Einsatz. Nach Gebrauch werden die Abfälle je nach Sammelsystem, Materialqualität und Verunreinigung unterschiedlich verwertet.

660 000 t PET-Abfälle alleine in Deutschland

Für Deutschland nennt ein 2022 veröffentlichter Forschungsbericht des Umweltbundesamtes ein jährliches Aufkommen von rund 660 000 t PET-Abfällen. Etwa 90 % davon seien Endverbraucherabfälle. Die Zahlen beziehen sich auf eine Conversio-Erhebung für das Jahr 2019 und sind daher als Größenordnung, nicht als aktuelle Jahresstatistik zu verstehen.

Von den damals rund 440 000 t PET-Abfällen aus der Pfandflaschensammlung seien 425 000 t beziehungsweise 97 % stofflich verwertet worden. Hierzulande wird das Material also bereits zu einem hohen Anteil recycelt. Das von Penn State untersuchte Verfahren ist dennoch von Interesse, weil es dafür sorgen könnte, aus einem kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterial ein technisch höherwertiges Graphitmaterial herzustellen.

Graphenoxid dient als Wachstumsschablone

Für die Versuche zerkleinerte das Forschungsteam PET und mischte es mit wenig Graphenoxid. Anschließend wurde das Material unter kontrollierten Bedingungen erhitzt. Während dieser thermischen Behandlung ordneten sich die Kohlenstoffatome neu an.

Die besten Resultate erzielten die Forschenden bei einem Graphenoxidanteil von 2,5 Gewichtsprozent. Unter diesen Bedingungen entwickelte das Material Kristallitgrößen, die diejenigen von Naturgraphit übertrafen. Dies deutet auf einen außergewöhnlichen Grad an struktureller Ordnung hin.

Laut den Forschenden spielen sauerstoffhaltige funktionelle Gruppen an den Rändern der Graphenoxid-Schichten eine wesentliche Rolle. Sie begünstigen das seitliche Wachstum der Graphitkristalle. Die zugänglichen Oberflächen der Schichten wirken zugleich als Schablonen, an denen sich die Kohlenstoffatome während der Graphitisierung ausrichten.

Das Ergebnis ist kein vollständig einheitliches Material. Die Forschenden beschreiben es als hochgradig kristallinen graphitischen Kohlenstoff, der neben graphitischen Strukturen auch Anteile von Hartkohlenstoff enthalten kann. Die Bezeichnung „synthetischer Graphit“ fasst den Befund daher vereinfacht zusammen.

Keine metallischen Katalysatoren erforderlich

Viele Verfahren zur Herstellung synthetischen Graphits nutzen Metalle wie Eisen, Nickel oder Kobalt, um die Graphitisierung zu fördern. Rückstände dieser Katalysatoren können das Produkt verunreinigen und zusätzliche Reinigungsschritte erforderlich machen.

Der Ansatz der Forschenden kommt ohne solche Metallkatalysatoren aus. Graphenoxid fördert die Strukturbildung, ohne metallische Bestandteile einzutragen. Dadurch könnten nach Angaben der Forschenden chemische Reinigungsverfahren entfallen und weniger verunreinigte Nebenströme entstehen. „Durch den Verzicht auf Metallkatalysatoren können wir saubereren Graphit herstellen und gleichzeitig den Chemikalieneinsatz sowie das Abfallaufkommen reduzieren“, sagte Sekar.

Ob das Gesamtverfahren tatsächlich eine bessere Umweltbilanz erreicht, müssen die Forschenden aber noch unter Beweis stellen. Dafür müssen künftige Forschungsvorhaben unter anderem den Energiebedarf der Wärmebehandlung, die Materialausbeute, die Herstellung des Graphenoxids und mögliche Aufbereitungsschritte betrachten.

Mit ihrer bisherigen Arbeit haben die Forschenden erste Hinweise auf eine mögliche Eignung als Anodenmaterial geliefert. Tests in vollständigen Batteriezellen müssen aber noch folgen. So ist noch nicht geklärt, wie viel Lithium das Material aufnehmen kann, wie effizient Lade- und Entladevorgänge ablaufen und wie stabil die Kapazität über viele Zyklen bleibt.

Der Weg in einen industriellen Prozess

Für einen industriellen Prozess müssten die Forschenden zeigen, dass sich PET-Abfälle mit schwankender Zusammensetzung zuverlässig verarbeiten lassen und das Graphitmaterial in gleichbleibender Qualität hergestellt werden kann. Auch Fragen zu Kosten, Energieeinsatz und Verfügbarkeit sind noch nicht geklärt.

Sekar ist optimistisch: „Wenn Kunststoffabfälle zu einem Ausgangsstoff für moderne Energiematerialien werden können, verändert das unser Verständnis von Recycling“, sagt sie. Kunststoff könne dann neben etablierten Verwertungswegen als Rohstoff für technische Kohlenstoffmaterialien betrachtet werden.

Neben Shakshi Sekar war Randy Vander Wal an der Untersuchung beteiligt. Er ist Professor für Energie- und Mineralingenieurwesen an der Penn State University und Mitglied ihres Institute of Energy and the Environment. Gefördert wurde die Arbeit von der U.S. National Science Foundation. Veröffentlicht wurde die Studie mit den bisherigen Ergebnissen in „Diamond and Related Materials“.