Verbrannte Reiskörner könnten Batterien helfen, mehr Ladung zu speichern
Harter Kohlenstoff in der Asche von Reishülsen könnten eine billige heimische Quelle für den Ersatz von Graphit in Batterien darstellen
Bei näherer Betrachtung der Asche von verbrannten Reishülsen, der harten äußeren Schicht von Reiskörnern, wurde eine Form von Kohlenstoff entdeckt, die die Energiedichte von herkömmlichen Lithium-Ionen- oder Natrium-Ionen-Batterien fast verdoppeln könnte.
Diese nachhaltige Quelle von "hartem" Kohlenstoff, der gewöhnlichem Graphit in Batterieelektroden überlegen ist, wurde an der Universität von Michigan entdeckt.
Dies ist der erste Nachweis von hartem Kohlenstoff, der durch Verbrennung hergestellt wurde. Bisher war man der Meinung, dass harter Kohlenstoff nur durch Erhitzen von Biomasse, z. B. landwirtschaftlichen Abfällen, auf etwa 1200 °C in einer sauerstofffreien Umgebung wie Stickstoff oder Argon hergestellt werden kann.
Anstatt Graphit aus China oder Mexiko zu importieren, könnte die Asche von Reishülsen ein hochwertigeres heimisches Material für die Herstellung von Batterieelektroden liefern. Das Verfahren ist auch nachhaltiger als die Herstellung von Graphit aus Biomasse, die auf 2000 °C oder mehr erhitzt werden muss, wodurch fünf bis zehn TonnenCO2 für jede Tonne Graphit in Batteriequalität entstehen.
Obwohl die meisten Reisspelzen auf Mülldeponien landen, ist die Verbrennung von Reisspelzen eine kohlenstoffneutrale Stromquelle. Wadham Energy LP im Sacramento Valley in Kalifornien erzeugt durch die Verbrennung des landwirtschaftlichen Nebenprodukts 200.000 Megawattstunden Strom pro Jahr - genug Energie, um etwa 22.000 Haushalte zu versorgen.
"DasCO2, das bei der Verbrennung von Reisspelzenfreigesetzt wird, stammt aus demselbenCO2, das die Reispflanze während der Photosynthese aus der Atmosphäre aufgenommen hat, wodurch der erzeugte Strom grün und kohlenstoffneutral ist", so Richard Laine, U-M-Professor für Materialwissenschaft und -technik sowie Makromolekularwissenschaft und -technik und korrespondierender Autor der kürzlich in Advanced Sustainable Systems veröffentlichten Studie.
Mit etwa 20 Milliarden Pfund Reis, die jährlich in den Vereinigten Staaten angebaut werden, gibt es viel Spielraum für eine Vergrößerung.
In früheren Arbeiten demonstrierte das Forschungsteam Methoden zur teilweisen Entfernung der Kieselsäure in der Asche von Reishülsen, die etwa 90 % Kieselsäure und 10 % Kohlenstoff enthält. Diese Kieselsäure kann zur Herstellung von hochreinem Silizium verwendet werden, das in Solarzellen oder Halbleitern zum Einsatz kommt. Nachdem das Siliziumdioxid durch einen Prozess namens Depolymerisation teilweise aus der Reishüllenasche entfernt wurde, besteht die verbleibende Asche zu etwa 60-70 % aus Kohlenstoff.
Man nahm an, dass der verbleibende Kohlenstoff formlos und ungeordnet ist, ein Material, das als amorpher Kohlenstoff bezeichnet wird, basierend auf den Mustern, die von Röntgenstrahlen erzeugt werden, die durch das Material scheinen. Mit Hilfe von Spektroskopietechniken, die auf Details auf molekularer Ebene spezialisiert sind, wurden jedoch winzige Graphitinseln im Nanobereich (ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter) innerhalb der amorphen Kohlenstoffmatrix entdeckt. Diese Mischung aus amorphem Kohlenstoff und Graphit wird als Hartkohlenstoff bezeichnet.
"Harter Kohlenstoff kann in diesem Fall durch Verbrennung hergestellt werden, denn wenn man den Kohlenstoff der Reiskörner abbrennt, bildet sich um den verbleibenden Kohlenstoff eine Schale aus Siliziumdioxid, die ihn wie einen Kuchen backt", so Laine.
Bei der Prüfung der elektrochemischen Eigenschaften von Hartkohle aus Reishülsenasche übertraf sie sowohl handelsübliche Hartkohle als auch Graphit als Anode einer Lithium-Ionen-Batterie, dem Punkt, an dem die Ladung aus der Batterie fließt.
Ein Gramm handelsüblicher Hartkohle nimmt genug Lithium auf, um etwa 500 Milliamperestunden (mAh) zu speichern - eine Einheit für elektrische Ladung, die häufig zur Beschreibung der Speicherkapazität von Batterien verwendet wird. Im Gegensatz dazu kann ein Gramm Graphit etwa 370 mAh speichern, was bedeutet, dass Hartkohlenstoffbatterien eine etwa 50 % höhere Energiedichte haben. Hartkohle aus Reisschalenasche übertrifft beide Werte mit einer Speicherkapazität von mehr als 700 mAh - fast doppelt so viel wie Graphit.
Es wird angenommen, dass die nanoporöse Struktur des isolierten Hartkohlenstoffs zu der höheren Lithiumkapazität beiträgt.
Die Umwandlung von landwirtschaftlichen Abfällen in ein wertvolles Produkt, den Hartkohlenstoff aus Reishülsenasche, kann dazu beitragen, die wachsende Nachfrage nach Batterien für den Einsatz in Elektrofahrzeugen und zur Speicherung intermittierender erneuerbarer Energien zu befriedigen und gleichzeitig die Kosten und Emissionen zu senken.
Das Team hat mit Unterstützung von U-M Innovation Partnerships Patentschutz beantragt und sucht nun nach Partnern, um die Technologie auf den Markt zu bringen.
Das Karlsruher Institut für Technologie in Deutschland war durch seinen Mitautor Sylvio Indris ebenfalls an dieser Forschung beteiligt. Wadham Energy lieferte die für die Forschung verwendete Reishüllenasche.
Das Verfahren wurde zum Teil am Michigan Center for Materials Characterization untersucht. Die Arbeit an der Universität von Michigan wurde hauptsächlich von der National Science Foundation und der Mercedes-Benz Research & Development North America finanziert.
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
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