Forscher verwandeln ein Nebenprodukt der Holzindustrie in ein Hochleistungsmaterial für Batterien
Neue Forschungsergebnisse könnten dazu beitragen, die nächste Generation umweltfreundlicherer Batterien voranzutreiben
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Eine neue Studie unter der Leitung von Forschern der University of Limerick (UL) hat ein neues Batteriematerial aus einem nachwachsenden Nebenprodukt der Holzindustrie identifiziert, das dazu beitragen könnte, die Abhängigkeit von knappen und teuren Materialien zu verringern.
Professor Maurice Collins, Leiter des Bereichs Forschung und Innovation an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der UL, Judith Miralda-Jalle, Doktorandin im Bereich Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der UL, sowie Tadhg Kennedy, außerordentlicher Professor am Institut für Chemische Wissenschaften der UL
Alan Place
Die in der führenden Fachzeitschrift „Advanced Materials“ veröffentlichte Studie zeigt, wie Lignosulfonat, ein Abfallprodukt aus der Zellstoff- und Papierindustrie, in hochleistungsfähige Kohlenstoffnanofasern für Natrium-Ionen-Batterien umgewandelt werden kann.
Da die Nachfrage nach Batterien aufgrund der zunehmenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen und Technologien für erneuerbare Energien weiter steigt, suchen Wissenschaftler verstärkt nach nachhaltigen Alternativen zu Lithium-Ionen-Batterien. Natrium ist eines der am häufigsten vorkommenden Elemente auf der Erde – was Natrium-Ionen-Batterien zu einer vielversprechenden Option für die Energiespeicherung der Zukunft macht.
Die Forscher der UL entwickelten in Zusammenarbeit mit Kollegen der Universität Valencia ein umweltfreundliches chemisches Verfahren, bei dem Wasser anstelle giftiger Lösungsmittel zur Herstellung von Batteriematerialien verwendet wird. Durch dieses Verfahren entfallen zudem synthetische Bindemittel und Additive, die üblicherweise bei der Batterieherstellung zum Einsatz kommen.
Professor Maurice N. Collins, Professor für Materialwissenschaften an der School of Engineering der UL und Leiter des Bereichs „Nachhaltige und widerstandsfähige Materialien“ am Bernal Institute, der die Studie leitete, sagte: „Diese Forschung zeigt, wie ein bisher ungenutztes Nebenprodukt aus der Forst- und Papierindustrie mithilfe eines einfachen, wasserbasierten Verfahrens in ein wertvolles Batteriematerial umgewandelt werden kann.
„Ein entscheidender Durchbruch der Forschung war die Entdeckung, dass sich die Leistungsfähigkeit des Materials durch die Steuerung seiner Struktur auf der Nanoskala individuell anpassen lässt. Durch die sorgfältige Gestaltung der Nanostruktur des Kohlenstoffmaterials konnten wir die Effizienz der Speicherung und Freisetzung von Natriumionen während des Lade- und Entladevorgangs verbessern.“
Die Erstautorin der Veröffentlichung, Judith Miralda-Jalle, Doktorandin an der UL, sagte: „Bei dieser Studie ging es nicht nur darum, ein neues Batteriematerial zu entwickeln, sondern auch darum, die dahinterstehende Wissenschaft zu verstehen. Indem wir untersuchten, wie sich die Chemie und Struktur des Kohlenstoffs während der Verarbeitung veränderten, gewannen wir Erkenntnisse, die als Leitfaden für die Entwicklung effizienterer und nachhaltigerer Materialien für zukünftige Batterien dienen können.“
Das Team stellte das Material her, indem es Lignosulfonat mit anderen natürlichen Inhaltsstoffen kombinierte, um ultrafeine Fasern zu erzeugen. Diese wurden anschließend in fortschrittliche Kohlenstoffstrukturen umgewandelt, die speziell für Anwendungen in der Energiespeicherung entwickelt wurden.
Über den potenziellen Einsatz in Batterien hinaus könnte die Forschung eine wertvolle neue Anwendungsmöglichkeit für Lignosulfonat eröffnen, das derzeit ein unzureichend genutztes industrielles Nebenprodukt ist.
Associate Professor Tadhg Kennedy, Co-Direktor des AMPEiRE Battery Research Centre an der University of Limerick und Mitautor der Arbeit, fügte hinzu: „Das Besonders Spannende an dieser Forschung ist, dass Nachhaltigkeit in jeder Phase der Materialentwicklung berücksichtigt wird. Wir gehen von einem reichlich vorhandenen industriellen Nebenprodukt aus, verarbeiten es mit Wasser statt mit organischen Lösungsmitteln und gestalten seine innere Struktur so, dass die Natriumspeicherung verbessert wird. Dies zeigt, dass Hochleistungs-Batteriematerialien unter Berücksichtigung sowohl der elektrochemischen Leistung als auch der Umweltverträglichkeit entwickelt werden können.“
Professor Collins hob das ökologische Potenzial dieser Forschung hervor.
„Die Arbeit zeigt, wie erneuerbare Ressourcen in hochwertige Materialien umgewandelt werden können und gleichzeitig die Entwicklung einer stärker kreislauforientierten und nachhaltigen Wirtschaft unterstützt, sowie das enorme Potenzial nachhaltiger Materialien zur Unterstützung der nächsten Generation von Energiespeichertechnologien“, erklärte Professor Collins.
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