Essbare, biologisch abbaubare Batterie könnte Lithium-Ionen-Batterien ersetzen
Forscher entwickeln Batteriematerial aus körpereigenen Substanzen
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Was wäre, wenn die nächste Batterie, die Sie kaufen, aus denselben Bestandteilen hergestellt würde, die auch in Ihrem Körper vorkommen? Das ist die Idee hinter einem bahnbrechenden Batteriematerial, das aus natürlichen, biologisch abbaubaren Komponenten besteht. Es ist so natürlich, dass es sogar als Lebensmittel verzehrt werden könnte.
Ein Forscherteam der Texas A&M University, dem auch die Chemieprofessorin Dr. Karen Wooley und die Professorin für Chemieingenieurwesen Dr. Jodie Lutkenhaus angehören, hat eine biologisch abbaubare Batterie aus natürlichen Polymeren entwickelt. Ihre Ergebnisse wurden in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.
Wooleys Forschungsgruppe im College of Arts and Sciences hat sich in den letzten 15 Jahren auf natürliche Produkte für die Konstruktion nachhaltiger und abbaubarer Kunststoffe verlegt. Lutkenhaus, stellvertretende Dekanin für Forschung am College of Engineering, verwendet organische Materialien, um eine bessere Batterie zu entwickeln. Sie schlug eine Zusammenarbeit vor, um die natürlichen Polymere von Wooley mit ihrem Fachwissen über Batterien zu kombinieren.
"Wir sind seit langem an sichereren, flexibleren Batteriematerialien interessiert", sagte Lutkenhaus. "Als das Labor von Dr. Wooley begann, diese natürlichen Polymere zu entwickeln, öffnete es die Tür zu etwas völlig Neuem - einer Batterie, die gute Leistungen erbringen und gleichzeitig sicher verschwinden kann, wenn sie nicht mehr gebraucht wird.
Eine Batterie aus Vitamin B2 und Aminosäuren
Das neue Material besteht aus zwei wichtigen, in der Natur vorkommenden Bestandteilen: 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 seine Dissertation vor fünf Jahren mit der Absicht begann, den Gehalt an biologisch erneuerbaren Bausteinen für den Bau organischer Polymerbatterien zu erhöhen", sagte Wooley. "Er entwickelte dann synthetische Methoden, um die molekularen Bausteine zu kettenartigen Strukturen, den sogenannten Polypeptiden, zu verbinden."
Das Besondere an diesem Material ist, dass es redox-aktiv ist, das heißt, es kann Elektronen aufnehmen und abgeben. Auf diese Weise speichern und geben Batterien Energie ab. In diesem Fall kümmert sich das Riboflavin um die Energie, während das Polypeptid für die Struktur sorgt und den natürlichen Abbau des Materials unterstützt.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien, die auf Metallen und Petrochemikalien basieren, wird dieses neue Material vollständig aus erneuerbaren biologischen Quellen gewonnen. Es ist so konzipiert, dass es sich sicher abbaut, wenn es mit Wasser oder Enzymen in Berührung kommt, was es zu einer vielversprechenden Lösung für die Reduzierung von Batterieabfällen macht, insbesondere in Fällen, in denen Batterien nicht ordnungsgemäß recycelt werden.
"Obwohl es erhebliche Anstrengungen zum Recycling von Batterien gibt, sollten sie in Fällen, in denen sie nicht aktiv gesammelt und für das Recycling aufbereitet werden, in der Lage sein, auf natürliche Weise und unter Freisetzung ungiftiger Abbauprodukte abgebaut zu werden", so Wooley.
Sicherer für die Umwelt und lebende Zellen
In Labortests zeigte das Material seine Eignung als Anode, dem Teil einer Batterie, der Elektronen speichert. Vor allem aber erwies sich das Material als ungiftig für Fibroblasten, eine Art von Zellen, die im Bindegewebe vorkommen.
"Zum jetzigen Zeitpunkt haben wir lediglich bestätigt, dass unsere Materialien zytokompatibel sind, das heißt, dass sie für Zellen nicht schädlich sind", so Wooley. "Das kann wichtig sein, wenn die Materialien in implantierbaren oder tragbaren Geräten verwendet werden sollen."
Lutkenhaus sagte, dass die Leistungsergebnisse angesichts des natürlichen Ursprungs des Materials besonders vielversprechend seien.
"Wir waren begeistert, dass das elektrochemische Verhalten dem von synthetischen, nicht-nachhaltigen Polymermaterialien entsprach", sagte sie. "Das zeigt, dass man nicht auf Kosten der Leistung gehen muss, um Nachhaltigkeit zu erreichen.
Auf dem Weg zu einer kreisförmigen Zukunft für das Batteriedesign
Die Forscher sagen, dass diese Art von Design - mit dem Ende im Kopf zu beginnen - der Schlüssel zum Aufbau einer nachhaltigeren Zukunft ist. Anstatt Materialien zu entwickeln, die ewig halten und dann zu Abfall werden, entwerfen sie sie so, dass sie Teil einer Kreislaufwirtschaft sind, in der die Materialien wiederverwendet, recycelt oder sicher in die Natur zurückgegeben werden.
"Ich betrachte jedes synthetische Material, das mein Labor herstellt, als einen Punkt auf seinem Weg zu Funktion und Zweck", sagt Wooley, "mit der Fähigkeit, physikalische und chemische Umwandlungen durchzuführen, die eine Wiederverwendung der molekularen Komponenten in verschiedenen anderen Richtungen ermöglichen.
"Im extremsten Fall könnten die Batterien essbar werden, um eine andere Art der Energieversorgung zu ermöglichen.
Im Moment 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 die kommerzielle Nutzung zu teuer.
"Wir müssen die Leistung verbessern und dann Prozesse entwickeln, die rentabel sind", sagte Wooley. "Das könnte 5-10 Jahre dauern."
Die Faszination der interdisziplinären Zusammenarbeit
Einer der aufregendsten Aspekte des Projekts, so die Forscher, war die Zusammenarbeit zwischen den Hochschulen der Texas A&M.
"Als Chemiker war es für mich der aufregendste Moment, als das Labor von Professor Lutkenhaus zeigte, dass unsere Materialien zu funktionierenden Batteriesystemen verarbeitet werden können", so Wooley. "Das war eine Bestätigung dafür, dass die Strategie vielversprechend ist und sich weiterentwickeln lässt.
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."
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.
Originalveröffentlichung
Shih-Guo Li, Khirabdhi T. Mohanty, Alexandra D. Easley, Yohannes H. Rezenom, Soon-Mi Lim, Leyla P. Gillett, Stone D. Naquin, David K. Tran, Tan P. Nguyen, Jodie L. Lutkenhaus, Karen L. Wooley; "A bioinspired and degradable riboflavin-containing polypeptide as a sustainable material for energy storage"; Proceedings of the National Academy of Sciences, Volume 122, 2025-6-23
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