11.05.2021 - Texas A&M University

Neue metallfreie, wiederverwertbare Polypeptid-Batterie, die sich bei Bedarf abbaut

Durchbruch könnte dazu führen, dass die Batterieproduktion von Kobalt wegkommt

Die Einführung von Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) hat die gesamte Technologie revolutioniert und zu großen Fortschritten bei Konsumgütern in fast allen Bereichen geführt. Batteriebetriebene Geräte sind auf der ganzen Welt allgegenwärtig geworden. Während die Verfügbarkeit der Technologie im Allgemeinen eine gute Sache ist, hat das schnelle Wachstum direkt zu einigen wichtigen ethischen und ökologischen Fragen im Zusammenhang mit der Verwendung von Li-Ionen-Batterien geführt.

Aktuelle Li-Ionen-Batterien verwenden erhebliche Mengen an Kobalt, das in mehreren gut dokumentierten internationalen Fällen durch Kinderarbeit in gefährlichen Arbeitsumgebungen abgebaut wird. Außerdem wird nur ein sehr geringer Prozentsatz der Li-Ionen-Batterien recycelt, was den Bedarf an Kobalt und anderen strategischen Elementen erhöht.

Ein multidisziplinäres Team von Forschern der Texas A&M University hat einen Durchbruch erzielt, der dazu führen könnte, dass die Batterieproduktion von Kobalt wegkommt. In einem in der Mai-Ausgabe von Nature veröffentlichten Artikel beschreiben Dr. Jodie Lutkenhaus, Lehrstuhl für Axalta Coating Systems und Professorin am Artie McFerrin Department of Chemical Engineering, und Dr. Karen Wooley, Professorin am Department of Chemistry und Inhaberin des W.T. Doherty-Welch-Lehrstuhls für Chemie am College of Science, ihre Forschung an einer neuen Batterietechnologie-Plattform, die völlig metallfrei ist. Diese neue Batterietechnologie-Plattform nutzt eine polypeptide organische Radikalkonstruktion.

"Indem wir uns von Lithium wegbewegen und mit diesen Polypeptiden arbeiten, die Bestandteile von Proteinen sind, bringt uns das wirklich in diesen Bereich, in dem wir nicht nur die Notwendigkeit des Abbaus von Edelmetallen vermeiden, sondern auch Möglichkeiten eröffnen, tragbare oder implantierbare elektronische Geräte mit Energie zu versorgen und auch die neuen Batterien leicht zu recyceln", sagte Wooley, der kürzlich als SEC-Professor des Jahres 2021 ausgezeichnet wurde. "Sie [Polypeptid-Batterien] sind abbaubar, sie sind recycelbar, sie sind ungiftig und sie sind auf der ganzen Linie sicherer."

Die vollständig aus Polypeptiden bestehende organische Radikalbatterie, die aus redoxaktiven Aminosäure-Makromolekülen besteht, löst auch das Problem der Wiederverwertbarkeit. Die Komponenten der neuen Batterieplattform können bei Bedarf unter sauren Bedingungen abgebaut werden, um Aminosäuren, andere Bausteine und Abbauprodukte zu erzeugen - laut Lutkenhaus einer der wichtigsten Durchbrüche in dieser Forschung.

"Das große Problem mit Lithium-Ionen-Batterien ist derzeit, dass sie nicht in dem Maße recycelt werden, wie wir es für die zukünftige elektrifizierte Transportwirtschaft benötigen", so Lutkenhaus weiter. "Die Recyclingrate von Lithium-Ionen-Batterien liegt im Moment im einstelligen Bereich. Es gibt wertvolles Material in der Lithium-Ionen-Batterie, aber es ist sehr schwierig und energieintensiv, es zurückzugewinnen."

Die Entwicklung einer metallfreien, vollständig aus Polypeptiden bestehenden organischen Radikalbatterie, die aus redoxaktiven Aminosäure-Makromolekülen besteht, die sich bei Bedarf abbauen, ist ein bedeutender Fortschritt in Richtung nachhaltiger, recycelbarer Batterien, die die Abhängigkeit von strategischen Metallen minimieren. Als nächsten Schritt haben Wooley und Lutkenhaus begonnen, in Zusammenarbeit mit Dr. Daniel Tabor, Assistenzprofessor im Fachbereich Chemie, im Rahmen eines 2020 Texas A&M Triads for Transformation (T3)-Stipendiums zu arbeiten, das darauf abzielt, maschinelles Lernen zur Optimierung der Materialien und Struktur der Batterieplattform einzusetzen.

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