%2Ff%2F244730%2F1600x900%2F5305945b15%2Fbatteries.webp&w=3840&q=75)
Metallfrei, organisch und auf Kommando abbaubar - Batterien der Zukunft
Ein wichtiger Aspekt nachhaltiger Energie, der oft übersehen wird, ist, dass wir auch nachhaltige Methoden zur Speicherung dieser Energie benötigen. Heutige Batterien enthalten große Mengen an Kobalt, das oft durch Kinderarbeit in gefährlichen Arbeitsumgebungen abgebaut wird. Zudem wird nur ein sehr geringer Prozentsatz der Lithium-Ionen-Batterien recycelt, was die Nachfrage nach Kobalt und anderen strategischen Elementen erhöht.
In unserem letzten Blogbeitrag über Seltene Erden haben wir auch erwähnt, dass erneuerbare Technologien laut Jordy M. Lee, Programmmanager der Colorado School of Mines, 400 % mehr Lithium benötigen werden. Schätzungen des U.S. Geological Survey vom Januar 2020 besagen, dass 65 % der weltweiten Lithiumproduktion für Lithium-Ionen- (Li-Ion) und andere wiederaufladbare Batterien verwendet werden.
Seit 2005, als die erste organische Radikalbatterie (ORB) entwickelt wurde, arbeiten Wissenschaftler an organischen Batterien. Ein organisches, molekulares Radikal ist eine molekulare Einheit mit einem ungepaarten Elektron. Traditionelle Lithium-Ionen-Batterien arbeiten, indem sie Lithium-Ionen intern hin und her bewegen – und für jedes Lithium-Ion, dass sich bewegt, bewegt sich ein Elektron.Dieses Elektron erzeugt den Strom. ORBs haben das Potenzial, umweltfreundlicher zu sein als herkömmliche Batterien auf Metallbasis, weil sie anstelle von Metallen organische radikale Polymere (flexible Kunststoffe) verwenden, um elektrische Energie bereitzustellen. Leider sind diese Batterien immer noch nicht für Verbraucher verfügbar, aber Tan Nguyen, Dr. Karen Wooley und Dr. Jodie Lutkenhaus von der Texas A&M University veröffentlichten im Mai 2021 ein Forschungspapier, das zeigt, wie sie eine recycelbare Polypeptidbatterie entwickelt haben, die bei Bedarf abgebaut wird.
Heutige Lithium-Ionen-Batterien bestehen aus einer Metalloxid-Kathode, einer Graphit-Anode und einem flüssigen Elektrolyten, der ein Lithiumsalz enthält. Die Forscher ersetzten alle Komponenten einer Batterie auf Metallbasis durch ein metallfreies, organisches Material. Die Kathode enthält ein Polypeptid, das funktionelle Gruppen enthält (ein Substituent oder Teil eines Moleküls, der die charakteristischen chemischen Reaktionen des Moleküls verursacht), die eine Reduktion und Oxidation bewirken können. Die Anode enthält ein ähnliches Molekül mit einer etwas anderen Gruppe, die ebenfalls reduziert und oxidiert werden kann. Die Wissenschaftler ersetzten den lithiumhaltigen Elektrolyten durch einen Elektrolyten, der organische Salze enthält, und speichern auf diese Weise Energie, indem sie organische Anionen anstelle von Lithium-Kationen verändern. Für jedes organische Anion, das sich bewegt, bewegt sich auch ein Elektron und treibt damit Ihr Gerät an.
Dr. Jodie Lutkenhaus sagt auch, dass ihr Traum eine Batterie wäre, bei der man alle Materialien sammeln und wieder in ihre Ausgangsmaterialien zerlegen könnte, um eine weitere Batterie herzustellen – für eine echte Kreislaufwirtschaft. Aber die größte Herausforderung ist die Trennung. Sobald die Batterie entladen ist, müsste jede kleine chemische Spezies getrennt werden. Das Problem ist, dass Batterien immer noch nutzlos sind, wenn der Energiebedarf, um sie zu recyceln, höher ist als die Energie, die sie liefern.Eine weitere Herausforderung ist es, eine Batterie zu bauen, die auf Kommando abgebaut werden kann, aber dennoch robust genug ist, um verwendet zu werden.
Auch wenn es noch einige Hürden zu überwinden gibt und die Batterien noch nicht für die Öffentlichkeit verfügbar sind, ist dieses Konzept ein weiterer Schritt in Richtung nachhaltiger, recycelbarer Batterien und der Minimierung der weltweiten Abhängigkeit von strategischen Metallen. Laut Dr. Lutkenhaus könnten polymerbasierte Batterien in fünf Jahren neben herkömmlichen Batterien verfügbar sein. Bis zu ihrer biologischen Abbaubarkeit wird es aber höchstwahrscheinlich noch weitere fünf Jahre dauern.
Wenn Sie das vollständige Forschungspapier lesen möchten, können Sie dies hier online tun.
In unserem letzten Blogbeitrag über Seltene Erden haben wir auch erwähnt, dass erneuerbare Technologien laut Jordy M. Lee, Programmmanager der Colorado School of Mines, 400 % mehr Lithium benötigen werden. Schätzungen des U.S. Geological Survey vom Januar 2020 besagen, dass 65 % der weltweiten Lithiumproduktion für Lithium-Ionen- (Li-Ion) und andere wiederaufladbare Batterien verwendet werden.
Seit 2005, als die erste organische Radikalbatterie (ORB) entwickelt wurde, arbeiten Wissenschaftler an organischen Batterien. Ein organisches, molekulares Radikal ist eine molekulare Einheit mit einem ungepaarten Elektron. Traditionelle Lithium-Ionen-Batterien arbeiten, indem sie Lithium-Ionen intern hin und her bewegen – und für jedes Lithium-Ion, dass sich bewegt, bewegt sich ein Elektron.Dieses Elektron erzeugt den Strom. ORBs haben das Potenzial, umweltfreundlicher zu sein als herkömmliche Batterien auf Metallbasis, weil sie anstelle von Metallen organische radikale Polymere (flexible Kunststoffe) verwenden, um elektrische Energie bereitzustellen. Leider sind diese Batterien immer noch nicht für Verbraucher verfügbar, aber Tan Nguyen, Dr. Karen Wooley und Dr. Jodie Lutkenhaus von der Texas A&M University veröffentlichten im Mai 2021 ein Forschungspapier, das zeigt, wie sie eine recycelbare Polypeptidbatterie entwickelt haben, die bei Bedarf abgebaut wird.
Heutige Lithium-Ionen-Batterien bestehen aus einer Metalloxid-Kathode, einer Graphit-Anode und einem flüssigen Elektrolyten, der ein Lithiumsalz enthält. Die Forscher ersetzten alle Komponenten einer Batterie auf Metallbasis durch ein metallfreies, organisches Material. Die Kathode enthält ein Polypeptid, das funktionelle Gruppen enthält (ein Substituent oder Teil eines Moleküls, der die charakteristischen chemischen Reaktionen des Moleküls verursacht), die eine Reduktion und Oxidation bewirken können. Die Anode enthält ein ähnliches Molekül mit einer etwas anderen Gruppe, die ebenfalls reduziert und oxidiert werden kann. Die Wissenschaftler ersetzten den lithiumhaltigen Elektrolyten durch einen Elektrolyten, der organische Salze enthält, und speichern auf diese Weise Energie, indem sie organische Anionen anstelle von Lithium-Kationen verändern. Für jedes organische Anion, das sich bewegt, bewegt sich auch ein Elektron und treibt damit Ihr Gerät an.
Dr. Jodie Lutkenhaus sagt auch, dass ihr Traum eine Batterie wäre, bei der man alle Materialien sammeln und wieder in ihre Ausgangsmaterialien zerlegen könnte, um eine weitere Batterie herzustellen – für eine echte Kreislaufwirtschaft. Aber die größte Herausforderung ist die Trennung. Sobald die Batterie entladen ist, müsste jede kleine chemische Spezies getrennt werden. Das Problem ist, dass Batterien immer noch nutzlos sind, wenn der Energiebedarf, um sie zu recyceln, höher ist als die Energie, die sie liefern.Eine weitere Herausforderung ist es, eine Batterie zu bauen, die auf Kommando abgebaut werden kann, aber dennoch robust genug ist, um verwendet zu werden.
Auch wenn es noch einige Hürden zu überwinden gibt und die Batterien noch nicht für die Öffentlichkeit verfügbar sind, ist dieses Konzept ein weiterer Schritt in Richtung nachhaltiger, recycelbarer Batterien und der Minimierung der weltweiten Abhängigkeit von strategischen Metallen. Laut Dr. Lutkenhaus könnten polymerbasierte Batterien in fünf Jahren neben herkömmlichen Batterien verfügbar sein. Bis zu ihrer biologischen Abbaubarkeit wird es aber höchstwahrscheinlich noch weitere fünf Jahre dauern.
Wenn Sie das vollständige Forschungspapier lesen möchten, können Sie dies hier online tun.
%2Ff%2F244730%2F1067x1600%2Fb60d627efd%2Flager.jpg&w=3840&q=75)
%2Ff%2F244730%2F1920x1280%2F39be83b57d%2Fgreenchips-partner-3.jpg&w=3840&q=75)
