Erdnussschalen werden zu günstigem Graphen für Batterien und Sensoren

Erdnussschalen gelten bisher als störender Reststoff: Sie wandern auf den Kompost oder werden einfach verbrannt. Ein australisches Forschungsteam zeigt nun, welches Potenzial in den spröden Hüllen steckt. Sie können als preiswerter Ausgangsstoff für die Herstellung von hochwertigem Graphen dienen – dem extrem dünnen Kohlenstoffmaterial, das für Batterien, Solarzellen und Sensoren als Wundermaterial gilt, dessen Produktion bislang jedoch sehr kostspielig ist.

Vom Knabberabfall zum Hightech-Material

Jährlich entstehen weltweit mehr als zehn Millionen Tonnen Erdnussschalen. Üblicherweise handelt es sich um einen Reststoff mit geringem Wert: wenig gefragt, kaum verwertet und meist ohne nennenswerten Nutzen entsorgt. Gerade diese große Verfügbarkeit macht ihn für die Forschenden attraktiv.

Die Schale einer Erdnuss besteht zu einem großen Anteil aus Lignin, einem natürlichen Polymer pflanzlichen Ursprungs. Lignin ist besonders kohlenstoffreich – und Kohlenstoff ist die Grundlage von Graphen. Anstatt wie bislang auf Kohlenstoffquellen aus Erdöl zurückzugreifen, nutzt das Team daher einen nachwachsenden pflanzlichen Rohstoff.

Erdnussschalen werden zu einem überraschend effizienten Rohstoff für Graphen – billig, reichlich vorhanden und bislang kaum genutzt.

Leiter des Projekts ist der Maschinenbauingenieur Guan Yeoh von der University of New South Wales (UNSW) in Australien. Die Resultate wurden im Fachmagazin Chemical Engineering Journal Advances veröffentlicht und von Wissenschaftsportalen weltweit aufgegriffen.

Weshalb Graphen so gefragt ist

Graphen begeistert Forschung und Industrie seit Jahren. Es besteht aus einer lediglich atomdicken Lage von Kohlenstoffatomen, die ein wabenartiges Gitter bilden. Daraus ergeben sich außergewöhnliche Eigenschaften:

• Es leitet elektrischen Strom besser als Kupfer.
• Es ist äußerst stabil und mechanisch belastbar.
• Es bleibt transparent und ist gleichzeitig flexibel.
• Es kann mit anderen Werkstoffen kombiniert werden.

Dem stehen Nachteile gegenüber: Herkömmliche Herstellungsverfahren sind komplex, erfordern hohe Temperaturen, kostspielige Ausgangsmaterialien und häufig aggressive Chemikalien. Dadurch bleibt Graphen teuer, was den Einsatz in Massenprodukten wie Smartphones oder Elektroautos erschwert.

Zwei Hitzeschocks verwandeln Erdnussschalen in Graphen

Das Verfahren aus Australien basiert auf zwei Erhitzungsstufen, bei denen elektrischer Strom entscheidend ist. Wichtig dabei: Weder Lösungsmittel noch zusätzliche Reagenzien werden benötigt.

Schritt 1: Aus Erdnussschalen entsteht kohlenstoffreiche Kohle

Zuerst werden die Schalen zerkleinert und mittels indirekter elektrischer Erwärmung, der Joule-Erwärmung, auf ungefähr 500 Grad Celsius erhitzt. Dieser Vorgang dauert etwa fünf Minuten. Dabei werden Sauerstoff, Wasserstoff und weitere Fremdatome entfernt. Übrig bleibt ein kohlenstoffreicher Rückstand – eine feine Art Kohle, in der die Kohlenstoffringe bereits vergleichsweise gut geordnet sind.

Nach Angaben von Yeoh ist diese Vorbehandlung ausschlaggebend für die spätere Qualität. Hochwertiges Graphen kann sich nur bilden, wenn die Zwischenstufe möglichst rein und strukturiert ist.

Schritt 2: Ein Millisekunden-Blitz auf 3.000 Grad

Danach folgt das eigentliche „Wunder“: Der Kohlenstoffrückstand wird einem sogenannten Flash Joule Heating unterzogen. Ein extrem kurzer, zugleich sehr intensiver Stromimpuls treibt die Temperatur innerhalb von Millisekunden auf mehr als 3.000 Grad Celsius.

Durch diesen starken Temperaturschock ordnen sich die Kohlenstoffatome neu und bilden Graphen-Schichten. Von der Erdnussschale bis zum fertigen Pulver vergehen insgesamt nur ungefähr zehn Minuten.

Der Weg vom Knabberabfall zum Hightech-Material dauert nur wenige Minuten und braucht keine einzige Chemikalie.

Da weder Material verdampft noch ausgewaschen wird, bleibt ein großer Anteil des Kohlenstoffs erhalten. Das reduziert zusätzlich den Energiebedarf.

Welches Graphen aus Erdnussschalen entsteht und wofür es geeignet ist

Bei dem erzeugten Werkstoff handelt es sich nicht um ein perfektes einzelnes Graphenblatt, sondern um sogenanntes turbostratisches Graphen. Dabei liegen mehrere Graphenlagen übereinander, sind jedoch leicht gegeneinander verdreht und verschoben.

Für zahlreiche praktische Einsatzbereiche ist diese Struktur sogar vorteilhaft. Sie lässt sich leichter in Komposite, also Mischwerkstoffe, einarbeiten und eignet sich insbesondere für:

• Elektroden in Lithium-Ionen- oder Natrium-Ionen-Batterien,
• leitfähige Schichten in flexiblen Displays und Touchscreens,
• Leiterbahnen für gedruckte Elektronik,
• Sensoren für Medizintechnik oder Umweltüberwachung,
• Leichtbauwerkstoffe mit gesteigerter Stabilität.

Für besonders anspruchsvolle High-End-Einsätze, beispielsweise in der Grundlagenforschung oder in speziellen Quantenbauteilen, könnte turbostratisches Graphen nicht ausreichen. Bei industriellen Massenprodukten könnte es dagegen das passende Verhältnis von Leistung und Kosten liefern.

Kostenfaktor: Graphen zum Energiepreis einer Tasse Kaffee

Besonders bemerkenswert sind die errechneten Energiekosten. Nach Berechnungen der Forschenden kostet die Energie zur Produktion von einem Kilogramm Graphen rund 1,30 US-Dollar. Das entspricht etwa 1,10 Euro – ausdrücklich nur für die Energie, nicht für Anlagen oder Personal.

Aspekt	Konventionelle Graphen-Herstellung	Erdnussschalen-Verfahren
Rohstoff	Erdölbasierte Kohlenstoffe, Graphit	Landwirtschaftlicher Abfall (Erdnussschalen)
Chemikalien	Oft aggressive Säuren/Lösungsmittel	Keine Zusätze
Energiebedarf	Hoch, schwer skalierbar	Ca. 1,30 Dollar pro Kilogramm Graphen
Ökobilanz	Belastet durch fossile Rohstoffe	Nutzung von Abfall, potenziell klimafreundlicher

Gerade der geringe Energieeinsatz könnte eine breite Verwendung ermöglichen. Bislang wird Graphen überwiegend in Spezialprojekten eingesetzt. Sinkt die Kostenbarriere, könnten Hersteller von Batterien, Solarzellen und Elektronik den Werkstoff deutlich großflächiger nutzen.

Vom Labor zur Fabrik: Drei bis vier Jahre bis zum Prototyp

Der Prozess befindet sich derzeit noch im Labormaßstab. Als Nächstes wollen die Forschenden Pilotanlagen entwickeln, die wesentlich größere Mengen verarbeiten können. Ihr Ziel ist ein industrieller Prototyp, der in drei bis vier Jahren kontinuierlich Graphen aus Agrarreststoffen produziert.

Zugleich untersucht das Team weitere Biomassequellen mit hohem Ligninanteil. Im Mittelpunkt stehen vor allem:

• getrockneter Kaffeesatz aus Gastronomie und Haushalt,
• Bananenschalen aus dem Lebensmittelhandel,
• weitere pflanzliche Reststoffe mit hoher Kohlenstoffdichte.

Falls diese Ausweitung gelingt, könnte eine vollständig neue Wertschöpfungskette entstehen: Bioabfälle, die heute als wertlos gelten, würden zu hochwertigen industriellen Rohstoffen.

Was das für Alltagstechnik bedeuten könnte

Für Verbraucherinnen und Verbraucher klingt die Vorstellung zunächst beinahe absurd: Erdnussschalen vom Fernsehabend könnten später indirekt in Akkus, Displays oder Sensoren stecken. Genau dieses langfristige Szenario beschreibt das Forschungsteam.

Schon heute verbessert Graphen Elektrodenmaterialien in Prototyp-Batterien. Sollte künftig preiswertes Graphen aus Biomasse verfügbar werden, könnten Hersteller:

• leistungsfähigere und haltbarere Akkus entwickeln,
• dünnere, flexiblere und widerstandsfähigere Displays herstellen,
• leichte und leitfähige Bauteile im Auto- und Flugzeugbau verwenden,
• medizinische Sensoren noch kleiner und empfindlicher machen.

Wie rasch solche Produkte tatsächlich auf den Markt kommen, hängt davon ab, ob die Herstellung zuverlässig, stabil und in Industriequalität funktioniert. Besonders entscheidend ist eine konstante Materialqualität, etwa für die Sicherheit und Lebensdauer von Batterien.

Was sich hinter Lignin und Flash Heating verbirgt

Lignin ist vielen Menschen vor allem indirekt bekannt: Es sorgt für die Steifigkeit von Holz und verleiht Pflanzenstängeln Stabilität. In der Papierindustrie wird es meist als störender Bestandteil betrachtet und als Abfall behandelt – in diesem Verfahren wird es dagegen zur wertvollen Kohlenstoffquelle. Sein hoher Kohlenstoffanteil unterstützt die Bildung von Graphenstrukturen.

Flash Joule Heating bezeichnet eine äußerst schnelle Erwärmung durch Strom. Statt einen Stoff langsam in einem Ofen zu erhitzen, wird ein kurzer, kräftiger Stromimpuls durch ihn geleitet. Durch den elektrischen Widerstand wird die Energie unmittelbar in Wärme umgewandelt – praktisch ein elektrischer Hitzeschock. Weil der Impuls so kurz dauert, erreicht die Temperatur enorme Werte, ohne dass das gesamte System abkühlt oder schmilzt.

Gerade die Kombination aus organischem Ausgangsmaterial und elektrischem Hitzeschock macht die Methode so interessant: Sie vereint Abfallverwertung, Energieeffizienz und Nanotechnologie in einem Prozess.