Bei einem wissenschaftlichen Durchbruch, um den George Washington Carver selbst beneiden würde, haben Wissenschaftler möglicherweise die bisher genialste Verwendung der Erdnuss gefunden. Aber dies sind nicht die beliebten Hülsenfrüchte, die Carver zu Lebensmitteln, Farbstoffen und Kosmetika verarbeitet hat - sie verpacken Erdnüsse. Ein Team von Chemieingenieuren an der Purdue University hat jetzt eine faszinierende Methode entwickelt, um Verpackungserdnüsse für die Herstellung von Kohlenstoffanoden zu verwenden, einem Bestandteil von wiederaufladbaren Batterien, der die Konkurrenzbatterien auf dem Markt übertrifft.
Das Verpacken von Erdnüssen hat sich als unglaublich hilfreich erwiesen, um die sichere Ankunft von sperrigen Paketen mit vernachlässigbarem Zusatzgewicht zu gewährleisten. Sie sind jedoch ein zu entsorgender Teufel. Weil sie so viel Platz beanspruchen und teuer zu transportieren sind, akzeptieren viele Recyclingdienste am Straßenrand keine Erdnüsse mehr. Infolgedessen wird nur ein Bruchteil der Verpackungserdnüsse ordnungsgemäß recycelt.
Die verbleibende Mehrheit wird auf Deponien abgeladen, wo sie eine erhebliche Umweltbedrohung darstellen können. Die Zersetzung von Erdnüssen auf Polystyrolbasis (Styropor ist die übliche Marke) dauert nicht nur mehrere Generationen, sondern enthält auch Chemikalien, von denen angenommen wird, dass sie krebserregend sind. Als Reaktion auf die Kritik an diesen schädlichen Umwelteinflüssen führten die Hersteller ungiftige, biologisch abbaubare Erdnüsse auf Stärkebasis ein. Die Forscher von Purdue behaupten jedoch, dass diese "grüne" Alternative möglicherweise auch gefährliche Chemikalien enthält, die zum "Aufblähen" dieser Erdnüsse verwendet werden.
Vilas Pol, außerordentlicher Professor an der Purdue School of Chemical Engineering und Hauptautor der Studie, sagte, seine Inspiration für das Projekt sei gekommen, als er Materialien für sein neues experimentelles Batterieforschungslabor bestellt habe. "Wir bekamen eine Menge Ausrüstung und Chemikalien in vielen Kartons, die alle mit Erdnüssen gefüllt waren. Irgendwann wurde mir klar, dass all diese Erdnüsse verschwenden würden", sagt Pol. „Wir wollten etwas Gutes für die Gesellschaft und die Umwelt tun.“
Lithium-Ionen-Batterien bestehen hauptsächlich aus einer positiven Elektrode (Kathode) aus einer Substanz auf Lithiumbasis, einer negativen Elektrode (Anode) aus Kohlenstoff, einer sie trennenden Polymermembran und einer Elektrolytflüssigkeit, die Ladung durch die Membran transportieren kann. Wenn die Batterie aufgeladen wird, wandern positive Lithiumionen von der positiven Kathode zur negativen Anode und werden auf dem Kohlenstoff gespeichert. Umgekehrt strömen die Lithiumionen im Batteriebetrieb in die entgegengesetzte Richtung und erzeugen Elektrizität.
Nach einer ersten Analyse, die ergab, dass die Hauptkomponenten der Erdnusspackung Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff sind, suchte das Team nach einem Verfahren, bei dem aus dem Kohlenstoff eine Anode für eine Lithiumionenbatterie hergestellt werden kann. Durch Erhitzen der Erdnüsse unter bestimmten Bedingungen konnte das Team den Kohlenstoff isolieren, wobei besonders darauf geachtet wurde, dass Sauerstoff und Wasserstoff durch die Bildung von Wasserdampf entfernt wurden, um kein umweltgefährdendes Nebenprodukt zu erzeugen. Das Team wandte dann zusätzliche Wärme auf den verbleibenden Kohlenstoff an und formte ihn zu sehr dünnen Platten, die als Anode für die Batterie dienen können.
Überraschenderweise hat die neue „Upcycled“ -Batterie die Erwartungen der Wissenschaftler bei weitem übertroffen: Sie speichert rund 15 Prozent mehr Gesamtladung und lädt sich schneller auf als andere vergleichbare Lithium-Ionen-Batterien. Es stellt sich heraus, dass der einzigartige Herstellungsprozess des Teams versehentlich die Struktur des Kohlenstoffs zu ihrem Vorteil verändert hat. Weitere Untersuchungen ergaben, dass bei der Freisetzung von Wasser aus der Stärke kleine Poren und Hohlräume entstanden, wodurch die Gesamtoberfläche vergrößert wurde, die die Lithiumladung halten konnte. Pol und seine Kollegen entdeckten auch, dass ihr Prozess den Abstand zwischen den Kohlenstoffatomen vergrößerte - was eine schnellere Aufladung ermöglichte, indem den Lithiumionen ein effizienterer Zugang zu jedem Kohlenstoffatom gewährt wurde. "Es ist, als hätte man eine größere Tür für Lithium", sagt Pol. "Und dieser größere Raum motiviert Lithium, sich schneller zu bewegen."
Neben den positiven Umwelteinflüssen durch die Wiederverwendung von Erdnüssen, die sonst Mülldeponien überfluten würden, erfordert die Isolierung von reinem Kohlenstoff aus den Erdnüssen nur einen minimalen Energieaufwand (nur 1.100 Grad Fahrenheit). Im Gegensatz dazu liegt die Temperatur, die zur Herstellung von herkömmlichem Kohlenstoff für Batterieanoden erforderlich ist, zwischen 3.600 und 4.500 Grad Fahrenheit und dauert mehrere Tage, heißt es in Pol.
Die Forscher haben ein Patent für ihre neue Technologie angemeldet, in der Hoffnung, sie in den nächsten zwei Jahren auf den Markt zu bringen, und planen, auch andere Verwendungen für den Kohlenstoff zu untersuchen. "Dies ist ein sehr skalierbarer Prozess", sagt Pol. Und „diese Batterien sind nur eine der Anwendungen. Kohlenstoff ist überall.
