Batterie aus natürlichen Materialien könnte konventionelle Lithium-Ionen-Batterien ersetzen

Was wäre, wenn die nächste Batterie, die Sie kaufen, aus denselben Inhaltsstoffen hergestellt wäre, die auch in Ihrem Körper vorkommen? Das ist die Idee hinter einem bahnbrechenden Batteriematerial aus natürlichen, biologisch abbaubaren Komponenten. Es ist so natürlich, dass es sogar als Lebensmittel verzehrt werden könnte.

Ein Forscherteam der Texas A&M University, darunter die renommierte Chemieprofessorin Dr. Karen Wooley und die Professorin für Chemieingenieurwesen Dr. Jodie Lutkenhaus, hat eine biologisch abbaubare Batterie aus natürlichen Polymeren entwickelt. Die Ergebnisse wurden in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.

Die Forschungsgruppe von Wooley am College of Arts and Sciences hat sich in den letzten 15 Jahren auf natürliche Produkte für die Herstellung nachhaltiger und abbaubarer Kunststoffe konzentriert. Lutkenhaus, stellvertretende Dekanin für Forschung am College of Engineering, hat organische Materialien verwendet, um eine bessere Batterie zu entwickeln. Sie schlug eine Zusammenarbeit vor, um die natürlich gewonnenen Polymere von Wooley mit ihrem Fachwissen über Batterien zu kombinieren.

„Wir interessieren uns schon seit langem für sicherere, flexiblere Batteriematerialien“, sagte Lutkenhaus. ​„Als Dr. Wooleys Labor mit der Entwicklung dieser Polymere aus natürlichen Quellen begann, öffnete dies die Tür zu etwas völlig Neuem – einer Batterie, die eine gute Leistung erbringt und auch sicher verschwindet, wenn sie nicht mehr benötigt wird.“

Eine Batterie aus Vitamin B2 und Aminosäuren

Das neue Material besteht aus zwei wichtigen Inhaltsstoffen, die in der Natur vorkommen: Riboflavin, auch bekannt als Vitamin B2, und L‑Glutaminsäure, eine Aminosäure, die beim Aufbau von Proteinen im Körper hilft.

„Diese Komponenten wurden von einem talentierten Doktoranden, Dr. Shih-Guo Li, identifiziert, der vor fünf Jahren mit seiner Dissertationsforschung begann, um den Gehalt an biologisch erneuerbaren Bausteinen für die Herstellung organischer Polymerbatterien zu verbessern“, sagte Wooley. ​„Anschließend entwickelte er Synthesemethoden, um die molekularen Bausteine zu kettenartigen Strukturen, sogenannten Polypeptiden, zu verbinden.“

Das Besondere an diesem Material ist, dass es redoxaktiv ist, was bedeutet, dass es Elektronen aufnehmen und abgeben kann. Auf diese Weise speichern und geben Batterien Energie ab. In diesem Fall übernimmt Riboflavin die Energie, während das Polypeptid für die Struktur sorgt und dazu beiträgt, dass das Material auf natürliche Weise abgebaut wird.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien, die auf Metallen und Petrochemikalien basieren, stammt dieses neue Material vollständig aus erneuerbaren biologischen Quellen. Es ist so konzipiert, dass es sich bei Kontakt mit Wasser oder Enzymen sicher abbaut, was es zu einer vielversprechenden Lösung für die Reduzierung von Batterieabfällen macht, insbesondere in Fällen, in denen Batterien nicht ordnungsgemäß recycelt werden.

„Obwohl erhebliche Anstrengungen unternommen werden, um Batterien zu recyceln, sollten sie in Fällen, in denen sie nicht aktiv gesammelt und für das Recycling aufbereitet werden, in der Lage sein, sich auf natürliche Weise zu zersetzen und dabei ungiftige Abbauprodukte freizusetzen“, sagte Wooley.

Sicherer für die Umwelt und lebende Zellen

In Labortests erwies sich das Material als geeignet für die Verwendung als Anode, also als Teil einer Batterie, der Elektronen speichert. Wichtig ist, dass das Material auch für Fibroblasten, eine Zellart, die im Bindegewebe vorkommt, als ungiftig befunden wurde.

„Zum jetzigen Zeitpunkt haben wir lediglich bestätigt, dass unsere Materialien zytokompatibel sind, das heißt, dass sie für Zellen unschädlich sind“, so Wooley. ​„Dies könnte von Bedeutung sein, wenn die Materialien in implantierbaren oder tragbaren Geräten verwendet werden sollen.“

Lutkenhaus sagte, die Leistungsergebnisse seien angesichts der natürlichen Herkunft des Materials besonders vielversprechend.

„Wir waren begeistert, dass das elektrochemische Verhalten mit dem von synthetischen, nicht nachhaltigen Polymermaterialien vergleichbar war“, sagte sie. ​„Das zeigt, dass man keine Leistungseinbußen hinnehmen muss, um Nachhaltigkeit zu erreichen.“

Auf dem Weg zu einer zirkulären Zukunft für das Batteriedesign

Die Forscher sagen, dass diese Art von Design – bei dem man das Ende im Blick hat – der Schlüssel zum Aufbau einer nachhaltigeren Zukunft ist. Anstatt Materialien zu entwickeln, die ewig halten und zu Abfall werden, entwerfen sie diese so, dass sie Teil einer Kreislaufwirtschaft sind, in der Materialien wiederverwendet, recycelt oder sicher in die Natur zurückgeführt werden.

„Ich betrachte jedes synthetische Material, das mein Labor herstellt, als einen Punkt auf seinem Weg zu Funktion und Zweck“, sagte Wooley, ​„mit der Fähigkeit, physikalische und chemische Umwandlungen durchzuführen, die eine Wiederverwendung der molekularen Komponenten in verschiedene andere Richtungen ermöglichen.

„Im Extremfall könnten die Batterien essbar werden, um eine andere Art der ​‚Energieversorgung‘ zu ermöglichen.“

Derzeit konzentriert sich das Team darauf, die Leistung des Materials zu verbessern und Wege zu finden, es erschwinglicher zu machen. Derzeit ist das chemische Verfahren zur Herstellung des Materials für den kommerziellen Einsatz zu teuer.

„Wir müssen die Leistung verbessern und dann Verfahren entwickeln, die rentabel sind“, sagte Wooley. ​„Das könnte 5 bis 10 Jahre dauern.“

Die Faszination interdisziplinärer Zusammenarbeit

Einer der spannendsten Aspekte des Projekts war laut den Forschern die Zusammenarbeit zwischen den verschiedenen Fakultäten der Texas A&M University.

„Als Chemiker war für mich der spannendste Moment, als das Labor von Professor Lutkenhaus demonstrierte, dass unsere Materialien zu funktionierenden Batteriesystemen verarbeitet werden können“, so Wooley. ​„Das war die Bestätigung dafür, dass diese Strategie vielversprechend ist.“

Lutkenhaus fügte hinzu: ​„Zu sehen, wie die Materialien in einer funktionierenden Batterie zusammenkommen, war ein wichtiger Meilenstein. Es bestätigte das Konzept und gab uns eine klare Richtung für die zukünftige Entwicklung vor.“

Diese Forschung wird von der National Science Foundation und der Welch Foundation unterstützt.

_{(Übersetzt mit der kostenfreien Version von DeepL​.com)}