Lignin ist neben Cellulose und Hemicellulose einer der drei wichtigsten Bestandteile von Holz. Vor allem bei der Herstellung von Zellstoff fällt Lignin in großen Mengen an und wird heute überwiegend zur Energiegewinnung verbrannt. Doch der Holzbestandteil kann mehr: Er kann zum Ausgangsstoff für hochwertige Kohlenstoffmaterialien werden!
Aus Lignin lassen sich beispielsweise Carbon-Fasern herstellen. Dafür wird das Lignin zunächst zu geeigneten Fasern verarbeitet und anschließend unter Sauerstoffausschluss erhitzt. Bei dieser Carbonisierung entsteht ein kohlenstoffreicher Werkstoff, der leicht, fest und elektrisch leitfähig sein kann. Besonders interessant ist diese Technologie für den Leichtbau, etwa für Fahrzeugkomponenten, Luft- und Raumfahrt oder Rotorblätter.
Auch für Energiespeicher wird Lignin als Ausgangsmaterial untersucht. Durch geeignete thermische und chemische Verfahren können daraus poröse Kohlenstoffmaterialien mit großer innerer Oberfläche hergestellt werden. Solche Materialien sind beispielsweise für Elektroden in Lithium-Ionen-Batterien, Natrium-Ionen-Batterien oder Superkondensatoren interessant. Damit könnte aus einem bislang häufig energetisch genutzten Holzbestandteil ein Ausgangsstoff für moderne Speichertechnologien werden.
Der Weg vom Lignin zum Hightech-Material ist allerdings noch mit Herausforderungen verbunden. Lignin unterscheidet sich je nach Holzart und insbesondere nach dem Verfahren, mit dem es aus dem Holz gewonnen wird. Für industrielle Anwendungen sind aber gleichbleibende Qualitäten, geeignete Aufbereitungsverfahren und wirtschaftliche Produktionsprozesse entscheidend.
Die höherwertige Nutzung von Lignin steht beispielhaft für die Kaskadennutzung von Holz: Statt einen wertvollen Holzbestandteil unmittelbar energetisch zu nutzen, kann er zunächst als Rohstoff für hochwertige Materialien dienen. Erst am Ende der Nutzungskette kann verbleibendes Material energetisch genutzt werden.
Deep-Dive: Wie entsteht aus Lignin ein Anodenmaterial?
Für die Herstellung eines ligninbasierten Anodenmaterials wird das Lignin zunächst gereinigt und je nach Ausgangsmaterial aufbereitet. Anschließend erfolgt die Carbonisierung unter Sauerstoffausschluss. Dabei werden nichtkohlenstoffhaltige Bestandteile entfernt und die Struktur des Materials verändert.
Für Natrium-Ionen-Batterien ist insbesondere der dabei entstehende Hartkohlenstoff interessant. Seine ungeordnete Struktur enthält Bereiche und Poren, in denen Natrium-Ionen während des Ladevorgangs gespeichert werden können. Die Eigenschaften des Anodenmaterials lassen sich unter anderem über die Carbonisierungstemperatur und die Prozessführung beeinflussen.
Ein wichtiger Forschungsschwerpunkt ist deshalb die gezielte Einstellung der Poren- und Kohlenstoffstruktur. Sie beeinflusst, wie viele Ionen gespeichert werden können, wie schnell die Lade- und Entladevorgänge ablaufen und wie stabil das Material über viele Zyklen bleibt.
Eine zentrale Herausforderung bleibt die unterschiedliche Zusammensetzung verschiedener Ligninquellen. Für eine industrielle Nutzung müssen deshalb Verfahren entwickelt werden, mit denen sich unabhängig von der Rohstoffquelle möglichst gleichbleibende Materialeigenschaften erreichen lassen.
Bildquelle: KI-generiertes Symbolbild
Weitere Infos:
Mehr zum Thema Lignin bei C.A.R.M.E.N. e.V.: https://www.carmen-ev.de/tag/lignin/
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