Eine Batterie aus Zink und Lignin, die über 8000 Mal verwendet werden kann. Sie wurde von Forschern der Universität Linköping mit der Vision entwickelt, eine kostengünstige und nachhaltige Batterielösung für Länder bereitzustellen, in denen der Zugang zu Elektrizität begrenzt ist. Die Studie wurde in der Zeitschrift Energy & Environmental Materials veröffentlicht.
Reverant Crispin und Ziyauddin Khan, Forscher am Labor für organische Elektronik. Bildnachweis: Thor Balkhed/Universität Linköping
„Solarmodule sind relativ günstig geworden und viele Menschen in Ländern mit niedrigem Einkommen haben sie bereits eingesetzt. In Äquatornähe geht die Sonne jedoch gegen 18 Uhr unter, sodass Haushalte und Unternehmen ohne Strom sind. Die Hoffnung ist, dass diese Batterietechnologie, selbst mit geringerer Leistung als die teuren Lithium-Ionen-Batterien, irgendwann eine Lösung für diese Situationen bieten wird“, sagt Reverant Crispin, Professor für organische Elektronik an der Universität Linköping.
Seine Forschungsgruppe am Labor für organische Elektronik hat zusammen mit Forschern der Universität Karlstad und der Chalmers-Universität eine Batterie entwickelt, die auf Zink und Lignin basiert, zwei kostengünstigen und umweltfreundlichen Materialien. In Bezug auf die Energiedichte ist sie mit Blei-Säure-Batterien vergleichbar, allerdings ohne das giftige Blei.
Stabile Batterie
Die Batterie ist stabil, da sie über 8000 Zyklen verwendet werden kann und dabei etwa 80 % ihrer Leistung behält. Darüber hinaus behält die Batterie ihre Ladung etwa eine Woche lang, deutlich länger als andere ähnliche Batterien auf Zinkbasis, die sich in nur wenigen Stunden entladen.
Obwohl Batterien auf Zinkbasis bereits auf dem Markt sind, vorwiegend als nicht wiederaufladbare Batterien, wird erwartet, dass sie die Lithium-Ionen-Batterien langfristig ergänzen und in manchen Fällen sogar ersetzen werden, wenn die Funktion der Wiederaufladbarkeit richtig eingeführt wird.
„Lithium-Ionen-Batterien sind zwar bei richtiger Handhabung nützlich, können aber explosiv und schwierig zu recyceln sein. Außerdem können sie in Bezug auf Umwelt- und Menschenrechtsfragen problematisch sein, wenn bestimmte Elemente wie Kobalt gewonnen werden. Daher bietet unsere nachhaltige Batterie eine vielversprechende Alternative, bei der die Energiedichte nicht kritisch ist“, sagt Ziyauddin Khan, Forscher am Labor für organische Elektronik der LiU.
Günstig und recycelbar
Das Problem bei Zinkbatterien ist vor allem die geringe Haltbarkeit, die auf eine Reaktion des Zinks mit dem Wasser in der Elektrolytlösung der Batterie zurückzuführen ist. Diese Reaktion führt zur Bildung von Wasserstoffgas und zum dendritischen Wachstum des Zinks, wodurch die Batterie praktisch unbrauchbar wird.
Zur Stabilisierung des Zinks wird eine Substanz namens Kaliumpolyacrylat-basierter Wasser-in-Polymersalzelektrolyt (WiPSE) verwendet. Was die Forscher in Linköping nun gezeigt haben, ist, dass die Stabilität bei Verwendung von WiPSE in einer Batterie, die Zink und Lignin enthält, sehr hoch ist.
„Sowohl Zink als auch Lignin sind supergünstig und die Batterie ist leicht recycelbar. Und wenn man die Kosten pro Nutzungszyklus berechnet, ist sie im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien eine extrem günstige Batterie“, sagt Ziyauddin Khan.
Skalierbar
Derzeit sind die im Labor entwickelten Batterien klein. Die Forscher glauben jedoch, dass sie dank des großen Lignin- und Zinkvorkommens kostengünstig große Batterien herstellen können, etwa in der Größe einer Autobatterie. Für die Massenproduktion wäre jedoch die Beteiligung eines Unternehmens erforderlich.
Pfarrer Crispin betont, dass Schwedens Position als innovatives Land es ihm ermöglicht, anderen Nationen bei der Einführung nachhaltigerer Alternativen zu helfen.
„Wir können es als unsere Pflicht betrachten, den Ländern mit niedrigem Einkommen zu helfen, die gleichen Fehler wie wir zu vermeiden. Wenn sie ihre Infrastruktur aufbauen, müssen sie sofort mit grüner Technologie beginnen. Wenn nicht nachhaltige Technologie eingeführt wird, wird sie von Milliarden Menschen genutzt werden, was zu einer Klimakatastrophe führt“, sagt Pfarrer Crispin.
Die Forschung wurde hauptsächlich von der Knut und Alice Wallenberg Stiftung über das Wallenberg Wood Science Centre, dem schwedischen Forschungsrat, Åforsk, dem strategischen Forschungsbereich der schwedischen Regierung für fortschrittliche Funktionsmaterialien (AFM) an der Universität Linköping und Vinnova über Fun-Mat II finanziert. Die langfristige Zusammenarbeit mit Ligna Energy AB im Rahmen des SESBC-Zentrums wird von der schwedischen Energieagentur finanziert.
Artikel: Wasser-in-Polymer-Salzelektrolyt für langlebige wiederaufladbare wässrige Zink-Lignin-Batterien, Divyaratan Kumar, Leandro R. Franco, Nicole Abdou, Rui Shu, Anna Martinelli, C. Moyses Araujo, Johannes Gladisch, Viktor Gueskine, Reverant Crispin & Ziyauddin Khan; Energy & Environmental Materials 2024, online veröffentlicht am 7. Mai 2024. DOI: 10.1002/eem2.12752
Geschrieben von Anders Törneholm
Quelle: Universität Linköping
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