Eine in eine Wertstofftonne geworfene Plastikflasche könnte eines Tages dazu beitragen, ein Elektrofahrzeug, ein Smartphone oder ein Speichersystem für erneuerbare Energien mit Strom zu versorgen – so ein Forscherteam der Penn State University.
In einer neuen Studie wandelten die Forscher Polyethylenterephthalat (PET) aus dem Abfall in hochgeordneten synthetischen Graphit um, eine kristalline Form von Kohlenstoff. Der so entstandene Graphit wies große, gut geordnete Kristallite auf – also mikroskopisch kleine Bereiche mit gut ausgerichteten Kohlenstoffschichten –, was auf eine hochgradig organisierte Kristallstruktur hindeutet. Diese Eigenschaften übertrafen diejenigen kommerzieller Naturgraphitproben, was darauf hindeutet, dass das aus PET gewonnene Material eine geordneterere Kristallstruktur aufwies. Eine solche strukturelle Ordnung ist ein wichtiger Indikator für die Eignung als hochwertiges Anodenmaterial im Vergleich zu Naturgraphit, der in der Batterieforschung üblicherweise als Maßstab dient. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass ein gewöhnlicher Abfallstoff zu einer wertvollen Quelle für batterietauglichen Kohlenstoff werden könnte.
Plastikflasche heute, Batteriematerial morgen
„Die meisten Menschen betrachten eine Plastikflasche als Abfall, sobald sie sie nicht mehr benutzen“, sagte Shakshi Sekar, Hauptautorin der Studie und Doktorandin am John and Willie Leone Family Department of Energy and Mineral Engineering der Penn State University. „Unsere Arbeit zeigt, dass dasselbe Material zu einer wertvollen Ressource für die Herstellung von Graphit werden kann, das für moderne Batterietechnologien unverzichtbar ist.“
Graphit, das vom US-Energieministerium als kritischer Rohstoff eingestuft wird, ist ein wesentlicher Bestandteil von Lithium-Ionen-Batterien und dient als Anodenmaterial, das elektrische Ladungen speichert und wieder abgibt. Da die Nachfrage nach Elektrofahrzeugen, Unterhaltungselektronik und Energiespeichersystemen im Netzmaßstab weiter wächst, steigt auch der Bedarf an batterietauglichem Graphit.
Gleichzeitig bleibt PET laut der National Association for PET Container Resources einer der weltweit am häufigsten verwendeten Kunststoffe. Obwohl viele Verbraucher Plastikflaschen in die Wertstofftonne werfen, wird ein Großteil dieses Materials letztendlich entsorgt, zu minderwertigeren Produkten „downcycelt“ oder auf Deponien gelagert.
Das Forschungsteam erklärte, es habe eine Möglichkeit gesehen, beide Herausforderungen anzugehen. Durch die Kombination von zerkleinertem PET-Kunststoff mit geringen Mengen an Graphenoxid und die Erhitzung des Materials in einem sorgfältig kontrollierten thermischen Prozess gelang es dem Team, die Kohlenstoffatome im Kunststoff in hochgeordnete graphitische Strukturen umzuordnen. „Wir finden nicht einfach nur eine Verwendung für Kunststoffabfälle“, sagte Sekar. „Wir schaffen ein wertvolles Material, das dazu beitragen könnte, die wachsende Nachfrage nach Batterien und Technologien für saubere Energie zu decken.“
Schon 2,5 Prozent Graphenoxid reichen für Graphit höchster Qualität
Die Forscher stellten fest, dass bereits die Zugabe von nur 2,5 Gewichtsprozent Graphenoxid Graphit von höchster Qualität ergab. Unter diesen Bedingungen entwickelte das Material Kristallitgrößen, die diejenigen von natürlichem Graphit übertrafen, was auf einen außergewöhnlichen Grad an struktureller Ordnung hindeutet.
Den Forschern zufolge tragen sauerstoffhaltige funktionelle Gruppen an den Rändern der Graphenoxid-Schichten dazu bei, das laterale Wachstum von Graphitkristallen zu initiieren und zu fördern. Die freiliegenden Graphenoberflächen dienen als Vorlagen, die die Kohlenstoffatome während der Graphitisierung – dem Prozess der Umwandlung von Kohlenstoff in Graphit – in hochorganisierte Stapelstrukturen lenken.
Der Ansatz des Teams unterscheidet sich von vielen bisherigen Methoden zur Herstellung von synthetischem Graphit. Gängige Graphitisierungstechniken stützen sich oft auf Metallkatalysatoren wie Eisen, Nickel oder Kobalt, die Verunreinigungen hinterlassen können, deren Entfernung zusätzliche chemische Reinigungsschritte erfordert.
Stattdessen verwendeten diese Forscher Additive auf Graphenbasis, die die Graphitisierung fördern, ohne metallische Verunreinigungen einzubringen. „Durch den Verzicht auf Metallkatalysatoren können wir saubereren Graphit herstellen und gleichzeitig den Chemikalienverbrauch und das Abfallaufkommen reduzieren“, sagte Sekar. Der Verzicht auf Schritte zur Entfernung des Katalysators könnte die zukünftige Herstellung vereinfachen und den ökologischen Fußabdruck bei der Produktion von Batteriematerialien verringern, so die Forscher.
Kunststoffabfall als Schlüssel zur Energiewende
Zwar sind weitere Untersuchungen erforderlich, um die Produktion im großen Maßstab und die Batterieleistung zu bewerten, doch zeigt die Studie einen vielversprechenden Weg auf, wie einer der weltweit häufigsten Abfallströme in ein hochwertiges Energiespeichermaterial umgewandelt werden kann. Die Ergebnisse deuten zudem auf einen umfassenderen Wandel in der künftigen Sichtweise auf Kunststoffabfälle hin, merkte Sekar an.
„Wenn Kunststoffabfälle zu einem Ausgangsstoff für fortschrittliche Energiematerialien werden können, verändert dies unsere Sichtweise auf das Recycling“, sagte Sekar. „Anstatt Kunststoff als Entsorgungsproblem zu betrachten, können wir ihn als Ressource sehen, die dazu beiträgt, Technologien für saubere Energie zu unterstützen.“
Zu den weiteren Autoren der Studie gehört Randy Vander Wal, Professor für Energie- und Bergbauingenieurwesen an der Penn State University und Mitglied des Instituts für Energie und Umwelt der Penn State University. Die Forschungsarbeit wurde von der US-amerikanischen National Science Foundation gefördert.
