Branchenentdeckung: Papierbiomasse baut Lithium-Schwefel-Batterien

Forscher am Rensler Institute of Technology haben ein patentiertes Verfahren zur Herstellung von Lithium-Schwefel-Batterien unter Verwendung billiger und reichlich vorhandener Papierbiomasse entwickelt.

Ein Hauptnebenprodukt in der Papierindustrie sind Ligninsulfonate, sulfonierte Kohlenstoffabfälle, die normalerweise vor Ort verbrannt werden, und die Atmosphäre, nachdem die Freisetzung von CO2 in Schwefel zur Wiederverwendung aufgefangen wurde.

Jetzt haben Forscher am Rensler Institute of Technology einen Weg entwickelt, wiederaufladbare Lithium-Schwefel-Batterien mit dieser billigen und reichlich vorhandenen Papierbiomasse zu bauen. Solche Batterien können verwendet werden, um große Rechenzentren mit Strom zu versorgen und günstigere Energiespeicheroptionen für Mikronetze und herkömmliche Netze bereitzustellen.

"Unsere Forschung hat das Potenzial der Verwendung von Nebenprodukten der industriellen Papierfabrik zur Entwicklung nachhaltiger, kostengünstiger Elektrodenmaterialien für Lithium-Schwefel-Batterien gezeigt", sagte Lunsile, ein Wissenschaftler des Future Energy Center System (CFES). Er hat ein Patent bei dem ehemaligen Doktoranden Lahuermukeji erhalten.

Derzeit sind wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien die Hauptbatterietechnologie. In den letzten Jahren bestand jedoch ein großes Interesse an der Entwicklung von Lithium-Schwefel-Batterien. Lithium-Ionen-Batterien von lithium-batterien können mehr als doppelt so viel Energie haben wie Lithium-Ionen-Batterien gleicher Qualität.

Der akku hat zwei positive und negative Elektroden. Zwischen den Elektroden befindet sich der flüssige Elektrolyt, der als Medium für die chemische Reaktion verwendet wird, die den Strom erzeugt. In Lithiumschwefelzellen besteht die Kathode aus einer Thiokohlenstoffmatrix und für die Anode werden Lithiummetalloxide verwendet.

In seiner elementaren Form ist Schwefel nicht leitend, aber wenn er bei hohen Temperaturen mit Kohlenstoff kombiniert wird, wird er hochleitfähig und ermöglicht die Verwendung in neuen Batterietechnologien. Die Herausforderung besteht jedoch darin, dass sich Schwefel leicht im Elektrolyten der Batterie löst und die Elektroden auf beiden Seiten bereits nach wenigen Zyklen verschlechtern.

Forscher haben verschiedene Formen von Kohlenstoff wie Nanoröhren und komplexe Kohlenstoffschäume verwendet, um Schwefel auf geeignete Stellen zu beschränken, jedoch mit begrenztem Erfolg. "Unser Ansatz bietet eine einfache Möglichkeit, die beste Sulfurylkathode aus einem einzigen Rohstoff herzustellen", sagte Simmons.

Um ihre Methoden zu entwickeln, arbeiteten Rensselaer-Forscher mit Finch Paper von GlenFalls zusammen, um Ligninsulfonate bereitzustellen. Die "braune Flüssigkeit" (schwarzer Sirup) wird getrocknet und dann in einem Quarzrohrofen auf etwa 700 Grad Celsius erhitzt.

Hohe Hitze entfernt den größten Teil des Schwefelgases, behält jedoch etwas Schwefel als Polysulfid (Schwefelatomkette) bei, das tief in die Aktivkohlematrix eingebettet ist. Der Erhitzungsvorgang wird wiederholt, bis die entsprechende Menge Schwefel in der Kohlenstoffmatrix eingefangen ist. Das Material wird dann gemahlen und mit einem inerten Polymerklebstoff gemischt, um eine Kathodenbeschichtung auf der Aluminiumfolie zu bilden.

Bisher hat das Team einen Prototyp einer Lithium-Schwefel-Batterie von der Größe einer Uhrenbatterie erstellt, die etwa 200 Mal recycelt werden kann. Der nächste Schritt ist die Erweiterung des Prototyps, um die Entladerate und die Lebensdauer des akkus erheblich zu erhöhen.

Martin Byrne, Direktor für Geschäftsentwicklung bei CFES, sagte: "Während sie die Biomasseenergie neu ausrichten, leisten Forscher, die mit CFES arbeiten, einen wesentlichen Beitrag zum Umweltschutz und bauen effizientere Batterien, die der Energiespeicherbranche einen dringend benötigten Schub verleihen.

Die anfängliche Finanzierung für die Studie erfolgte durch das New York State Institute for Pollution Prevention (NYSP2I). Das Forschungsteam verwaltete dann den Benchto-Prototyp-Zuschuss der New York State Energy Research and Development Agency über NY-BEST (New Yorker Batterie- und Energiespeichertechnologie), um die Technologie umfassender zu entwickeln.

Die neue Lithium-Ionen-Batterieforschung von Simmons und seinen Kollegen könnte einen wesentlichen Beitrag zur Energiespeicherindustrie leisten. Dies ist ein Beispiel für das neue Polytechnische Institut. Dies ist ein aufstrebendes Lunsile-Paradigma für Lehre, Lernen und Forschung. Es ist eine Anerkennung dafür, dass die globalen Herausforderungen und Chancen so groß sind, dass selbst die einzigartigsten Talente nicht angemessen angesprochen werden können. Das neue Institut für Technologie hat eine weltbewegende Rolle im globalen Einfluss von Forschung, innovativen Lehrmethoden und dem Leben von Lunsile-Studenten gespielt.

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