Vom Abfall zum Schatz: Nutzung von Industrieabfällen zur Energiespeicherung
Erstmals unerwünschtes organisches Abfallprodukt in der Redox-Flow-Batterieforschung verwendet
Die in unseren Telefonen, Geräten und sogar Autos verwendeten Batterien sind auf Metalle wie Lithium und Kobalt angewiesen, die durch intensiven und invasiven Bergbau gewonnen werden. Da immer mehr Produkte auf batteriegestützte Energiespeichersysteme angewiesen sind, wird die Abkehr von metallgestützten Lösungen entscheidend sein, um den Übergang zu grüner Energie zu erleichtern.
Emily Mahoney arbeitet an der Herstellung von Redox-Flow-Batterien.
Malapit Lab/Northwestern University
Nun hat ein Team der Northwestern University ein organisches Abfallprodukt aus der Industrie in einen effizienten Speicher für nachhaltige Energielösungen verwandelt, der eines Tages in viel größerem Maßstab eingesetzt werden kann. Während viele Iterationen dieser Batterien, die als Redox-Flow-Batterien bezeichnet werden, bereits in Produktion sind oder für Anwendungen im Netzmaßstab erforscht werden, stellt die Verwendung eines Abfallmoleküls - Triphenylphosphinoxid (TPPO) - eine Premiere in diesem Bereich dar.
Tausende von Tonnen des bekannten chemischen Nebenprodukts fallen jedes Jahr bei vielen organischen industriellen Syntheseprozessen an - unter anderem bei der Herstellung einiger Vitamine -, sind jedoch unbrauchbar und müssen nach der Produktion sorgfältig entsorgt werden.
In einer im Journal of the American Chemical Society veröffentlichten Arbeit wird gezeigt, dass Chemiker durch eine "Eintopfreaktion" TPPO in ein brauchbares Produkt verwandeln können, das ein hohes Potenzial zur Energiespeicherung besitzt und damit die Möglichkeit eröffnet, aus Abfall gewonnene organische Redox-Flow-Batterien, einen seit langem angedachten Batterietyp, einzusetzen.
"Die Batterieforschung wird traditionell von Ingenieuren und Materialwissenschaftlern dominiert", sagt Christian Malapit, Chemiker an der Northwestern University und Hauptautor der Studie. "Synthetische Chemiker können einen Beitrag leisten, indem sie ein organisches Abfallprodukt in ein energiespeicherndes Molekül umwandeln. Unsere Entdeckung zeigt das Potenzial der Umwandlung von Abfallstoffen in wertvolle Ressourcen und bietet einen nachhaltigen Weg für Innovationen in der Batterietechnologie".
Malapit ist Assistenzprofessor in der Abteilung für Chemie am Weinberg College of Arts and Sciences der Northwestern University.
Der Markt für Redox-Flow-Batterien, der derzeit nur einen kleinen Teil des Batteriemarktes ausmacht, wird zwischen 2023 und 2030 voraussichtlich um 15 % wachsen und dann weltweit einen Wert von 700 Millionen Euro erreichen. Im Gegensatz zu Lithium- und anderen Festkörperbatterien, die Energie in Elektroden speichern, verwenden Redox-Flow-Batterien eine chemische Reaktion, um Energie zwischen Elektrolyten hin- und herzupumpen, wo sie gespeichert wird. Obwohl sie bei der Energiespeicherung nicht so effizient sind, gelten Redox-Flow-Batterien als viel bessere Lösung für die Energiespeicherung im Netzmaßstab.
"Es kann nicht nur ein organisches Molekül verwendet werden, sondern es kann auch eine hohe Energiedichte erreichen - und sich damit seinen metallbasierten Konkurrenten annähern - sowie eine hohe Stabilität", sagte Emily Mahoney, Doktorandin im Malapit-Labor und Erstautorin der Studie. "Diese beiden Parameter sind traditionell schwierig zu optimieren, daher ist es besonders spannend, dies für ein Molekül zu zeigen, das aus Abfällen gewonnen wird.
Um sowohl die Energiedichte als auch die Stabilität zu erreichen, musste das Team eine Strategie finden, die es den Elektronen ermöglicht, sich in der Lösung dicht zusammenzupacken, ohne mit der Zeit an Speicherkapazität zu verlieren. Sie sahen sich in der Vergangenheit um und fanden einen Artikel aus dem Jahr 1968, in dem die Elektrochemie von Phosphinoxiden beschrieben wurde, und, so Mahoney, "machten sich daran."
Um die Widerstandsfähigkeit des Moleküls als potenzieller Energiespeicher zu bewerten, führte das Team Tests mit statischen elektrochemischen Lade- und Entladeexperimenten durch, die dem Aufladen einer Batterie, der Verwendung der Batterie und dem anschließenden erneuten Aufladen ähnelten. Nach 350 Zyklen blieb die Batterie bemerkenswert gesund und verlor im Laufe der Zeit nur geringfügig an Kapazität.
"Dies ist der erste Fall, in dem Phosphinoxide - eine funktionelle Gruppe in der organischen Chemie - als redoxaktive Komponente in der Batterieforschung eingesetzt werden", sagte Malapit. "Traditionell sind reduzierte Phosphinoxide sehr instabil. Unser molekulartechnischer Ansatz behebt diese Instabilität und ebnet den Weg für ihre Anwendung in der Energiespeicherung".
In der Zwischenzeit hofft die Gruppe, dass andere Forscher das Thema aufgreifen und beginnen, mit TPPO zu arbeiten, um dessen Potenzial weiter zu optimieren und zu verbessern.
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