Eine Batterie aus Zink und Lignin, die über 8000 Mal verwendet werden kann. Dies 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 kostengünstig geworden und viele Menschen in Ländern mit niedrigem Einkommen haben sie übernommen. In der Nähe des Äquators geht die Sonne jedoch gegen 6 Uhr unter, sodass Haushalte und Unternehmen keinen Strom mehr haben. Die Hoffnung ist, dass diese Batterietechnologie, auch wenn sie eine geringere Leistung als die teuren Li-Ionen-Batterien bietet, irgendwann eine Lösung für diese Situationen bietet“, 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 Chalmers eine Batterie entwickelt, die auf Zink und Lignin basiert, zwei kostengünstigen und umweltfreundlichen Materialien. Von der Energiedichte her ist sie vergleichbar mit Blei-Säure-Batterien, jedoch ohne das giftige Blei.
Stabiler Akku
Der Akku ist stabil, da er über 8000 Zyklen verwendet werden kann und dabei etwa 80 % seiner Leistung beibehält. 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 zinkbasierte Batterien bereits auf dem Markt sind, hauptsächlich als nicht wiederaufladbare Batterien, wird davon ausgegangen, dass sie Lithium-Ionen-Batterien auf lange Sicht ergänzen und in einigen Fällen ersetzen werden, wenn die Funktion der Wiederaufladbarkeit ordnungsgemäß eingeführt wird.
„Obwohl Lithium-Ionen-Batterien bei richtiger Handhabung nützlich sind, können sie explosiv, schwierig zu recyceln und problematisch im Hinblick auf Umwelt- und Menschenrechtsfragen sein, wenn bestimmte Elemente wie Kobalt gewonnen werden. Daher bietet unsere nachhaltige Batterie eine vielversprechende Alternative, bei der die Energiedichte keine entscheidende Rolle spielt“, sagt Ziyauddin Khan, Forscher am Labor für organische Elektronik an der LiU.
Günstig und recycelbar
Das Problem bei Zinkbatterien war in erster Linie die schlechte Haltbarkeit, da Zink mit dem Wasser in der Elektrolytlösung der Batterie reagierte. Diese Reaktion führt zur Bildung von Wasserstoffgas und zum dendritischen Wachstum des Zinks, wodurch die Batterie praktisch unbrauchbar wird.
Zur Stabilisierung des Zinks wird ein sogenannter Wasser-in-Polymer-Salzelektrolyt (WiPSE) auf Kaliumpolyacrylatbasis verwendet. Was die Forscher in Linköping nun gezeigt haben: Wenn WiPSE in einer Batterie verwendet wird, die Zink und Lignin enthält, ist die Stabilität sehr hoch.
„Sowohl Zink als auch Lignin sind supergünstig und die Batterie lässt sich leicht recyceln. Und wenn man die Kosten pro Nutzungszyklus berechnet, handelt es sich im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien um eine extrem günstige Batterie“, sagt Ziyauddin Khan.
Skalierbar
Derzeit sind die im Labor entwickelten Batterien klein. Die Forscher glauben jedoch, dass sie dank der Fülle an Lignin und Zink zu geringen Kosten große Batterien herstellen können, etwa so groß wie eine Autobatterie. Für eine Massenproduktion wäre jedoch die Beteiligung eines Unternehmens erforderlich.
Reverant Crispin behauptet, dass Schwedens Position als innovatives Land es ihm ermöglicht, andere Nationen bei der Einführung nachhaltigerer Alternativen zu unterstützen.
„Wir können es als unsere Pflicht betrachten, einkommensschwachen Ländern dabei zu helfen, die gleichen Fehler wie wir zu vermeiden. Wenn sie ihre Infrastruktur aufbauen, müssen sie sofort mit grüner Technologie beginnen. Wenn nicht nachhaltige Technologien eingeführt werden, werden sie von Milliarden Menschen genutzt, was zu einer Klimakatastrophe führt“, sagt Reverant 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 SESBC-Zentrum wird von der schwedischen Energieagentur finanziert.
Artikel: Wasser-in-Polymer-Salzelektrolyt für wiederaufladbare wässrige Zink-Lignin-Batterien mit langer Lebensdauer, Divyaratan Kumar, Leandro R. Franco, Nicole Abdou, Rui Shu, Anna Martinelli, C. Moyses Araujo, Johannes Gladisch, Viktor Gueskine, Reverant Crispin & Ziyauddin Khan; Energie- und Umweltmaterialien 2024, online veröffentlicht am 7. Mai 2024. DOI: 10.1002/eem2.12752
Geschrieben von Anders Törneholm
Quelle: Linköping Universität
