Prototyp einer Glukosebatterie nach dem Vorbild des körpereigenen Stoffwechsels
"Durch die Verwendung von ungiftigen Komponenten... bietet dieses System einen vielversprechenden Weg zu einer sichereren und erschwinglicheren Energiespeicherung..."
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Forscher, die in ACS Energy Letters berichten, haben eine Batterie entwickelt, die durch Vitamin B2 (Riboflavin) und Glukose betrieben wird. Inspiriert von der Art und Weise, wie der menschliche Körper Glukose mithilfe von Enzymen zur Energiegewinnung abbaut, baute das Team Riboflavin in einen Prototyp einer Durchflusszellenbatterie ein. Der Riboflavin-Vermittler half dabei, Elektronen zwischen den Elektroden der Batterie und dem Glukose-Elektrolyten hin und her zu schieben und so einen elektrochemischen Fluss aus der im Zucker gespeicherten Energie zu erzeugen.
"Riboflavin- und Glukoseflusszellen können Strom aus natürlichen Energiequellen erzeugen", sagt Jong-Hwa Shon, der Hauptautor der Studie. "Durch die Verwendung von ungiftigen Komponenten, die sowohl kostengünstig als auch natürlich vorkommend sind, bietet dieses System einen vielversprechenden Weg zu einer sichereren und erschwinglicheren Energiespeicherung in Haushalten."
Eine Durchflusszellenbatterie speichert elektrochemische Energie in zwei Elektrolyten, die durch das System fließen. Bei Reaktionen im Elektrolyten und an den Elektroden wird die gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt und umgekehrt. Da die meisten Pflanzen Glukose enthalten, hat dieser Zucker das Potenzial, ein reichlich vorhandener und kostengünstiger Elektrolyt als Energiequelle in einer Durchflusszellenbatterie zu sein.
Derzeitige Prototypen von Glukose-Brennstoffzellen benötigen Edelmetallkatalysatoren, um die Zuckermoleküle aufzuspalten und Strom zu erzeugen, aber diese Modelle erzeugen nur wenig Strom und lassen sich nur schwer für den industriellen Einsatz aufrüsten. Riboflavin hat sich in anderen Durchflussbatterietypen als vielversprechende Alternative zu Metallkatalysatoren erwiesen, da das Vitamin bei dem basischen pH-Wert stabil ist, den die Elektrolyte in Glukose-Durchflusszellen benötigen. Daher wollten Shon, Ruozhu Feng, Wei Wang und Kollegen eine Glukose-Brennstoffzelle mit Riboflavin als Katalysator entwickeln.
Für die Batterie verwendete das Team ein Kohlenstoffmaterial, um die positiven und negativen Elektroden zu bilden. Der Elektrolyt, der die negative Elektrode umströmt, enthält eine aktive Form von Riboflavin und Glukose, und an der positiven Elektrode enthält der Elektrolyt Kaliumferricyanid oder Sauerstoff (wie in herkömmlichen Brennstoffzellen) in einer Lösung mit basischem pH-Wert. Obwohl die Zelle mit Kaliumferricyanid es dem Team ermöglichte, die katalytische Aktivität von Riboflavin genau zu messen, ist die Zelle mit Sauerstoff eine kostengünstigere Option für den praktischen Einsatz in großem Maßstab.
Bei einer Demonstration mit der Durchflusszelle mit Kaliumferricyanid beobachtete das Team Elektronen, die sich durch die Zelle bewegten, und eine Leistungsdichte bei Raumtemperatur, die mit der von bestehenden Durchflusszellenbatterien mit Vanadiummetall vergleichbar war. Bei der sauerstoffhaltigen Durchflusszelle hingegen liefen die Reaktionen an den Elektroden langsamer ab als beim Kaliumferricyanid-Design. Den Forschern zufolge ist dies wahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass Sauerstoff in Gegenwart von Licht Riboflavin abbaut, wodurch sich die Batterie selbst entladen würde. Dennoch wies die Sauerstoffversion im Vergleich zu früheren Berichten eine bessere Leistungsdichte auf. Die Forscher sagen, dass sie planen, die Leistungsdichte der Glukoseflusszelle mit Sauerstoff zu verbessern, indem sie Lichtreaktionen mit Riboflavin verhindern und die Zelltechnik verfeinern.
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