Potsdam. In einem Fraunhofer-Projekt wird das Potenzial neuartiger Carbonfasern auf Basis nachwachsender Rohstoffe erforscht. Das könnte speziell für Brennstoffzellen relevant sein.
Carbonfasern kommen heute in einer Vielzahl technischer Anwendungen zum Einsatz – von Wasserstofftanks über Batterien und Brennstoffzellen bis hin zur Abschirmung empfindlicher Elektronik. Das Problem dabei: Diese werden in den meisten Fällen aus dem erdölbasierten Polymer Polyacrylnitril (PAN) gewonnen; die Herstellung ist aufwändig und verbraucht viel Energie, noch dazu fallen toxische Nebenprodukte an. Nun werden in einem aktuellen Forschungsprojekt neuartige Carbonfasern auf der Basis von Cellulose und anderen nachwachsenden Rohstoffen entwickelt. Das Ziel des Projekts des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Polymerforschung IAP (Sitz in Potsdam) und der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg ist es, Nachhaltigkeit und Leistungsfähigkeit zu vereinen und dabei gleichzeitig wirtschaftlich wettbewerbsfähig zu bleiben.
Die innovative Methode nutzt Cellulose als Ausgangsstoff für sogenannte Präkursoren; diese Vorstufe lässt sich mit etablierten industriellen Spinnverfahren wie Viskose- oder Lyocelltechnologie zu endlosen Fasern verarbeiten. Additive wie Lignin, ebenfalls ein holzbasiertes Produkt, werden direkt in die Spinnlösung eingebracht. Dadurch steigt die Kohlenstoffausbeute bei der späteren Umwandlung drastisch an.
Trägermaterial für Elektroden
Ein bedeutender Vorteil dieses Ansatzes ist die Möglichkeit, die Faserstruktur durch Wahl des Spinnverfahrens gezielt zu steuern. Unterschiedliche Porositäten, Orientierung und Querschnitte – zum Beispiel rund, oval oder gelappt – eröffnen nämlich maßgeschneiderte Eigenschaften für spezifische Anwendungen. Insbesondere gelappte Fasern bieten eine besonders hohe Oberfläche und eignen sich etwa als Trägermaterial in Elektroden von Redox-Flow-Batterien oder Gasdiffusionslagen in Brennstoffzellen. Nach dem Spinnprozess werden die cellulosischen Endlosfasern in einem Wasserbad mit funktionellen Zusätzen wie Katalysatoren aktiviert. Die Faser nimmt dabei effizient die benötigten Additive auf, was die notwendige Carbonisierungstemperatur für den Umwandlungsprozess um mehr als tausend Grad Celsius absenkt.
Fasern mit geringem Durchmesser
Durch optimale Steuerung von Produktionsparametern wie Temperatur, Verweilzeit und mechanische Verstreckung lassen sich Fasern mit Durchmessern von unter vier Mikrometern erzielen – marktüblich sind derzeit sieben Mikrometer. Diese feinen Fasern sind insbesondere für Anwendungen im Bereich Brennstoffzellen relevant. Und das Besondere: Die mechanischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften entsprechen denen erdölbasierter Hochleistungs-Carbonfasern und bieten zudem eben den Vorteil der Nachhaltigkeit.
Das Projekt ist Teil der Carbon Lab Factory Lausitz und wird vom deutschen Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert; unterstützt wird das Vorhaben auch von der Wirtschaftsregion Lausitz GesmbH.
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