Magazin

Rewe und Aldi bewarben ihre Bioplastiktüten als umweltfreundliche Alternative zu Einweg-Plastiktüten: Sie seien zu 100 Prozent biologisch abbaubar und bestünden zu einem größtmöglichen Anteil aus nachwachsenden Rohstoffen. Dies kritisierte Jürgen Resch, Geschäftsführer der Deutschen Umwelthilfe (DUH): “Sie werden nicht kompostiert, lassen sich auch nicht recyclen und bestehen hauptsächlich aus Erdöl”. Rewe nahm die Tüten vom Markt, um “die Kunden nicht über die Umweltverträglichkeit dieser Tragetasche zu verunsichern.” Der Hersteller der Tüte, die Victorgroup in Frechen, hat per einstweiliger Verfügung erwirkt, dass die DUH nicht mehr behaupten darf, die Tüte sei nicht kompostierbar.


<h2>Ecovio und Ecoflex</h2>
Der Begriff “Biokunststoff” wird nicht einheitlich verwendet: Die so bezeichneten Stoffe können biobasiert, bioabbaubar oder beides sein [Nachr. Chem. 2012, 60, 333].
Biobasierte Polymere werden aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt. Hierzu zählen aus Zuckerrohr gewonnenes Bio-Polyethylen und Bio-Polypropylen, aber auch Celluloseacetate aus Holz. Sie unterscheiden sich in ihren chemischen Eigenschaften nicht von den erdölbasierten Varianten und sind wie diese nicht biologisch abbaubar. Bioabbaubare Polymere müssen nicht aus nachwachsenden Rohstoffen bestehen. Mikroorganismen zersetzen etwa erdölbasiertes Polycaprolacton oder Polyvinylalkohol. Biologisch abbaubar und auf natürlichen Rohstoffen basierend sind Polyhydroxyalkanoat oder Cellophan.
Die jetzt diskutierte Tüte besteht aus Ecovio von BASF: einer Mischung aus dem aliphatisch-aromatischen Copolyester Ecoflex und Polymilchsäure (PLA). Ecoflex ist ein Polymer aus 1,4-Butandiol, Adipinsäure und Terephthalsäure, also aus petrochemischen Rohstoffen. PLA wird aus Maisstärke gewonnen und ist damit biobasiert. Biologisch abbaubar sind nach DIN EN 13432 beide. Diese Norm besagt, dass ein Material biologisch abbaubar ist, wenn es nach 180 Tagen bei 58 ±2 °C, hoher Feuchtigkeit und Sauerstoffgehalt von 6 Prozent zu mindestens 90 Prozent abgebaut ist. Am biologischen Abbau von Ecovio in Kompostieranlagen sind in erster Linie thermophile Actinomyceten beteiligt, aber auch Pilze und heterotrophe Bakterien, die in Kompostieranlagen vorkommen können.


<h2>Störstoff in der Biotonne</h2>
Was sich in der Theorie gut anhört, funktioniert in der Praxis kaum. Die DUH kritisiert, dass in deutschen Kompostieranlagen die Verweilzeiten von 28 bis 84 Tagen zu kurz sind, um Bioplastik abzubauen. Zudem sind Biotüten oft nicht von herkömmlichen Plastiktüten zu unterscheiden, also sortieren die Kompostieranlagen Biotüten als Störstoff aus. Die Bundesgütegemeinschaft Kompost (BGK) hat sich bereits 2010 aus der Kompostierbarkeits-Zertifizierung nach EN 13432 zurückgezogen und meint, dass biologisch abbaubare Kunststoffe nicht in die Biotonne gehören.
Der Ecovio-Typ der Plastiktüten von Aldi und Rewe ist älteren Datums. Inzwischen hat die BASF den Werkstoff so verändert, dass er zu über 50 Prozent aus nachwachsenden Rohstoffen besteht und schneller zerfällt. Eine neu entwickelte Biomülltüte ist mit 25 μm Dicke um 13 μm dünner als die Einkaufstüte. In zwei Studien testeten Haushalte im pfälzischen Grünstadt und in Berlin diese Biotüte. Verbraucher wie Kompostierwerke waren zufrieden. Laut BGK sind die Ergebnisse aber nicht übertragbar: Die Verweildauern in Kompostieranlagen variieren zu stark, und Bioabfälle gelangen vermehrt in Gärungsanlagen, für die keine Daten vorliegen. Außerdem lassen sich die Ergebnisse nicht auf den Werkstoff allgemein zurückführen, da andere Modelle dickwandiger sind.
In einem sind sich BASF und DUH einig: Auf den Kompost im eigenen Garten gehören Biotüten nicht.
Katharina Graf, Frankfurt

Artikel

Die Tüte für den Kompost — oder doch nicht?

Rewe und Aldi bewarben ihre Bioplastiktüten als umweltfreundliche Alternative zu Einweg-Plastiktüten: Sie seien zu 100 Prozent biologisch abbaubar und bestünden zu einem größtmöglichen Anteil aus nachwachsenden Rohstoffen. Dies kritisierte Jürgen Resch, Geschäftsführer der Deutschen Umwelthilfe (...

Prof.Dr.

Seit Volta die erste, einfache Batterie aus Kupfer- und Zinkscheiben zusammensetzte, hat sich das Verlangen unserer Gesellschaft nach elektrischer Energie grundlegend verändert. Eine gewöhnliche Glühlampe beeindruckt schon lange nicht mehr; ständig verfügbar und mobil muss elektrische Energie sein. Spätestens seit der Kommerzialisierung der ersten Lithiumionenbatterie durch Sony im Jahr 1991 haben Laptops, Mobiltelefone, moderne Medizinprodukte und elektrische Zahnbürsten — um nur einige Beispiele zu nennen — den Alltag revolutioniert.
Doch während sich die Elektronik dieser Geräte rasant entwickelte, leidet die Batterieforschung an dem Problem, geeignete Elektrodenmaterialen zu finden. Nur wenige Redoxpaare konnten sich bisher durchsetzen.
Bleiakkumulatoren machen noch immer die Hälfte der verkauften Akkus aus, und deren Kapazität stieg seit 1950 um lediglich 3 Prozent pro Jahr.1,2 Der erste Versuch, organische Polymere als aktives Elektrodenmaterial zu verwenden und somit eine flexible und stabile Rohstoffbasis einzusetzen, scheiterte Ende der 1980er Jahre sowohl in Europa (Varta/BASF) als auch Japan (Bridgestone/Seiko).
Doch mittlerweile sind neue Polymere den Anforderungen der nächsten Elektronikgeneration gewachsen.


<h2>Polymere als Stromspeicher</h2>
Um Strom zu speichern, kommen zwei grundlegend verschiedene Polymerklassen in Betracht: konjugierte leitfähige Polymere und Redoxpolymere (Abbildung 2 oben). Konjugierte leitfähige Polymere wie Poly(acetylen), Poly(anilin) oder Poly(pyrrol) speichern in ihrem konjugierten π-System Strom in Form delokalisierter Elektronen (n-Typ) oder positiver Löcher (p-Typ). Redoxpolymere verfügen in jeder Wiederholungseinheit über ein oder mehrere Redoxzentren, die meist über eine konventionelle Polymerkette miteinander verknüpft sind. Der Vorteil der diskreten Redoxzentren liegt — gegenüber einem konjugierten π-System — in einem definierten und stabilen Redoxpotenzial. Die Wahl des funktionellen Substituenten, also des Redoxzentrums, bestimmt das Potenzial der Elektroden und somit die Zellspannung der Batterie. Im Gegensatz dazu hängt das Redoxpotenzial eines π-Systems von dessen Dotierungsgrad ab. Allerdings ändert sich dieser beim Laden und Entladen eines Akkus, also durch Oxidation und Reduktion; daher schwankt bei Batterien auf Basis von konjugierten leitfähigen Polymeren häufig die Zellspannung stark. Dies ist ungünstig und kann das Scheitern früherer kommerzieller Polymerbatterien erklären (Abbildung 2 Mitte).
In jüngster Zeit haben sich insbesondere organische Radikalbatterien (ORBs) hervorgetan. Organische Polymere als aktives Elektrodenmaterial, die mit stabilen Radikalen funktionalisiert sind, können giftige und umweltschädliche Schwermetallverbindungen ersetzen und metallfreie Akkumulatoren verwirklichen.3 Die ORBs nutzen die schnellen Einelektronen-Redoxreaktionen der stabilen Nitroxidradikale (Abbildung 2 unten). Der bekannteste Vertreter der Klasse der Nitroxidradikale ist das inzwischen umfassend untersuchte 2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-N-oxyl-Radikal (Tempo), das auch als Oxidationskatalysator für Alkohole, als Spinsonde oder in der nitroxidvermittelten radikalischen Polymerisation (nitroxide-mediated radical polymerization, NMP) Verwendung findet.4
Batterien, die das Tempo-Radikal als aktives Kathodenmaterial verwenden, bieten hohe Leistungsdichten und somit kurze Ladezeiten im Minuten- oder sogar Sekundenbereich bei konstanter Zellspannung. Darüber hinaus lassen aufwendige Lade- und Entladeexperimente an einzelnen Halbzellen und Akkumulatormodellen auf eine hohe Lebenserwartung der Energiespeicher von über 1000 Zyklen schließen.
Mit einer Kapazität von 111 A·h·kg—1 liegt Tempo-substituiertes Poly(methacrylat) in der gleichen Größenordnung wie LiCoO2, das Standardmaterial für Kathoden in Lithiumionenbatterien. Folglich ist es möglich, die herkömmlichen cobalthaltigen Kathoden eines Lithiumakkumulators zu ersetzen und Li-ORBs aufzubauen.
Darüber hinaus kommen auch Zinkanoden zum Einsatz, die zwar die Energiedichte des Gesamtsystems verringern, sich aber einfacher handhaben lassen.5 Für rein organische Systeme werden zusätzlich Polymere benötigt, um die Lithium- oder Zinkanoden zu ersetzen.
Neben Tempo stehen noch eine Reihe weiterer stabiler Radikale als Kathodenmaterial zur Verfügung, die Zahl der bekannten Anodenmaterialien ist allerdings bisher noch beschränkt. Diese basieren beispielsweise auf dem stabilen Galvinoxylradikal (Abbildung 3). Eine erste Kombination beider Polymere in einer ORB wurde 2009 beschrieben.6 Die beiden Polymerelektroden (Anode: Galvinoxyl, Kathode: Tempo) sind dabei getrennt durch einen mikroporösen Film, der eine Elektrolytlösung von Tetrabutylammoniumperchlorat in Acetonitril enthält. Diese rein organische Batterie (org-ORBs) lieferte eine Spannung von 0,8 V.
Darüber hinaus sind zwei weitere vollorganische, metallfreie Radikalbatterien in der Literatur bekannt.7,8 Diese org-ORBs setzten Poly[4-(nitronylnitroxyl)styren] oder Poly(viologen)e ein.


<h2>Wie gedruckt</h2>
Mit polymeren Elektrodenmaterialien lassen sich neue Verarbeitungstechniken nutzen. Seit einigen Jahren wird — mit wechselndem Erfolg — an gedruckten, flexiblen Batterien konventioneller Zellchemie gearbeitet. Das Übertragen der jahrzehntelangen Erfahrungen aus dem Verdrucken polymerhaltiger Farben und Tinten auf die Verarbeitung von Redoxpolymeren vereinfacht die Produktion der organischen Radikalbatterien auf Polymerbasis. Flexible und in ihrem Design für eine bestimmte Anwendung maßgeschneiderte Batterien sind so möglich. Beispielsweise lässt sich die Speicherkapazität leicht an die Bedürfnisse einer Anwendung anpassen und ist nicht durch die Dimensionen eines genormten Typs vorgegeben. Dies macht ORBs zu interessanten Energiespeichersystemen für Smart Objects wie Grußkarten, Werbeverpackungen und Mikrosysteme mit Sensoren oder Aktoren.
Insbesondere der Inkjet-Druck macht nach Optimierung der “Tinte” Polymerfilme mit großer Flexibilität bei der Formgebung und Schichtdicke möglich.9 Diese Technik findet daher in der Forschung zunehmend Anwendung für Solarzellen und gedruckte Elektronik. Sie erlaubt es nicht nur, Lösungen zu bearbeiten, sondern auch Suspensionen. Durch gezielte Platzierung einzelner Tropfen im Pikolitermaßstab ist es möglich, Dünnschichtstrukturen mit geringem Material- und Kostenaufwand aufzubauen. Der Inkjet-Druck ist hervorragend geeignet, um aktive Komposite aus Radikalpolymer, Leitadditiv und Bindemittel zu verarbeiten. Auf Grund des geringen Materialbedarfs ist die Methode für ein Screening im Labormaßstab zweckmäßig.
Für eine standardisierte Produktion im industriellen Maßstab hingegen eignet sich der funktionelle Siebdruck, der schon heute unter anderem für die Produktion von Tastaturen und Autoantennen eingesetzt wird. So kann der Druck einer Batterie in schon bestehende Druckprozesse integriert werden und ermöglicht die Fertigung von Smart Objects ohne aufwendige und teure Pick-and-place-Prozesse, bei denen zum Beispiel ein Roboterarm Bauteile platziert. Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der Werkstoffforschung geförderte Projekt Bat Mat untersucht die Produktion gedruckter ORBs.


<h2>High-Tech- und Einwegsystem</h2>
Nachdem die Forschung an organischen Radikalbatterien jahrelang auf Japan beschränkt war, nehmen nun vermehrt auch europäische Universitäten und Unternehmen diese viel versprechende Batterieklasse wahr. Anfangs wurde das Potenzial der redoxaktiven Radikalpolymere unterschätzt, sie wurden nur als Ersatz für Cobalt in konventionellen Lithiumakkus gesehen. Eine erste Anwendung als schnellladefähige Backup-Batterie für Computer des japanischen Elektronikkonzerns NEC aus dem Jahr 2005 konnte sich trotz der außergewöhnlich kurzen Ladezeiten nicht durchsetzen.
Solche klassischen Anwendungen verkennen jedoch das Potenzial, das sich aus der Nutzung von Kunststoffen anstelle von Metallen ergibt. Durch die Kombination der einfachen Verarbeitbarkeit — etwa durch Drucktechniken — mit den Umwelteigenschaften der Polymere — einfache Entsorgung, ungiftig — bietet sich die Möglichkeit, neue Batterien für neuartige Anwendungen zu gestalten und maßzuschneidern.
Im Gegensatz zu den konventionellen Batteriemetallen, die aufwendig gesammelt und recycelt werden müssen, erlauben Kunststoffbatterien auf ORB-Basis neue Lebenszyklen. Ihre kostengünstige Produktion verbunden mit einer einfachen Entsorgung im Hausmüll sowie die anschließende Verwertung in der Müllverbrennung eignet sich für den breiten und alltäglichen Einsatz. Möglich sind auch Anwendungen als Einwegprodukt zum Beispiel in intelligenten Lebensmittelverpackungen.
Im Moment stehen europäische und deutsche Regularien dieser fortschrittlichen Batterietechnik und -entsorgung noch entgegen. Doch mit dem Einzug umweltfreundlicher Batteriematerialien müssen teure Sammelprogramme und Sondermüllentsorgung überdacht werden, hier ist der Gesetzgeber gefragt. Es ist wenig sinnvoll, ungiftige Kunststoffbatterien und konventionelle Systeme auf Blei-, Nickel-Cadmium- und Lithium-Basis in einen Topf zu werfen.
Die Schnellladefähigkeit und die hohen Stromdichten der ORBs machen sie auch für High-Tech-Anwendungen interessant. Während das Blitzlicht einer Kamera noch über Kondensatoren betrieben wird, die vor jedem Foto geladen werden müssen, kann eine ORB die notwendigen Ströme direkt und somit schneller liefern. Darüber hinaus diskutiert die Web-Community schon den Einsatz in der übernächsten iPhone-Generation.
Der Entwicklung und Verbreitung der organischen Batterien ist die Revolution in der Elektronik vorausgegangen. Polymere Materialien ersetzten oder erweiterten die Anwendungsfelder der klassischen anorganischen Pendants in Solarzellen, in Feldeffekttransistoren und insbesondere in Leuchtdioden. Das Herz einer organischen Elektronik — die Batterie — ist der nächste Schritt.


<h2>QUERGELESEN</h2>
Stabile organische Radikale speichern als Elektrodenmaterial in organischen Radikalbatterien (ORB) elektrische Energie.
Organische Radikalbatterien lassen sich durch Tintenstrahl- und Siebdruck fertigen. Sie gewährleisten schnelle Ladezeiten und ein flexibles Design.
Für metallfreie, vollorganische Polymerbatterien sind neuartige Anodenmaterialien nötig.


Ulrich S. Schubert ist seit dem Jahr 2007 Professor für organische und makromolekulare Chemie an der Universität Jena. Von 2000 bis 2007 war er Professor an der Eindhoven University of Technology. Er studierte Chemie in Frankfurt, Bayreuth und Richmond, USA, promovierte in Bayreuth und habilitierte sich in München. Tobias Janoschka arbeitet am Lehrstuhl von Ulrich Schubert an organischen Radikalbatterien. Seine Promotion wird durch ein Stipendium des Fonds der Chemischen Industrie gefördert. Martin D. Hager promovierte über konjugierte Rod-Coil-Polymere im Arbeitskreis von Elisabeth Klemm an der Universität Jena. Seit dem Jahr 2007 forscht er in der Gruppe Ulrich Schuberts an konjugierten Polymeren, organischen Batterien und selbstheilenden Materialien. <a href="mailto:martin.hager@uni-jena.de">martin.hager@uni-jena.de</a>


<h2>Center for Energy and Environmental Chemistry Jena</h2>
Das “Center for Energy and Environmental Chemistry” (CEEC Jena) soll Grundlagenforschung und anwendungsorientierte Forschung und Entwicklung vereinen, um die Entwicklung neuer Materialien für die Energiespeicherung, Energieerzeugung und für Umwelttechnologien voranzutreiben. Es wird von der Friedrich-Schiller-Universität Jena und dem Fraunhofer IKTS Hermersdorf gemeinsam betrieben. 15 bis 20 Arbeitsgruppen sollen in Zukunft im CEEC Jena ihr Fachwissen kombinieren, momentan befindet sich das Zentrum in der Gründungsphase.



<ul>
<li>
1 


K. E Aifantis, 
S. A. Hackney, 
R. V. Kumar, 
<source>High Energy Density Lithium Batteries: Materials, Engineering, Applications, <publisher-name>Wiley-VCH</publisher-name>, <publisher-loc>Weinheim</publisher-loc>, 2010.

</li>
<li>
2 

 
C. X. Zu, 
H. Li, 
<source>Energy Environ. Sci. 
(2011), 
4, 
2614–<lpage>2624.</lpage>
</li>
<li>
3 

 
H. Nishide, 
K. Koshika, 
K. Oyaizu, 
<source>Pure Appl. Chem. 
(2009), 
81, 
1961–<lpage>1970.</lpage>
</li>
<li>
4 

 
K. Nakahara, 
S. Iwasa, 
M. Satoh, 
Y. Morioka, 
J. Iriyama, 
M. Suguro, 
E. Hasegawa, 
<source>Chem. Phys. Lett. 
(2002), 
359, 
351–<lpage>354.</lpage>
</li>
<li>
5 

 
K. Koshika, 
N. Sano, 
K. Oyaizu, 
H. Nishide, 
<source>Chem. Commun. 
(2009), 
7, 
836–<lpage>838.</lpage>
</li>
<li>
6 

 
T. Suga, 
H. Ohshiro, 
S. Sugita, 
K. Oyaizu, 
H. Nishide, 
<source>Adv. Mater. 
(2009), 
21, 
1627–<lpage>1630.</lpage>
</li>
<li>
7 

 
T. Suga, 
S. Sugita, 
H. Ohshiro, 
K. Oyaizu, 
H. Nishide, 
<source>Adv. Mater. 
(2011), 
23, 
751–<lpage>754.</lpage>
</li>
<li>
8 

 
K. Koshika, 
N. Chikushi, 
N. Sano, 
K. Oyaizu, 
H. Nishide, 
<source>Green Chem. 
(2010), 
12, 
1573–<lpage>1575.</lpage>
</li>
<li>
9 

 
T. Janoschka, 
A. Teichler, 
A. Krieg, 
M. D. Hager, 
U. S. Schubert, 
<source>J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 
(2012), 
50, 
1394–<lpage>1407.</lpage>
</li>
</ul>

Artikel

Die Tüte für den Kompost — oder doch nicht?

Ecovio und Ecoflex

Überprüfung Ihres Anmeldestatus ...