Wie könnten Bioabfälle schließlich in Natrium-Ionen-Batterien eingebaut werden? Diese Frage soll eine neue strategische Partnerschaft beantworten. Das in Australien ansässige Unternehmen Sparc Technologies wird mit der Queensland University of Technology (QUT) zusammenarbeiten, um eine bedeutende Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien zu finden. Nachhaltige Batteriematerialien sind mit dem Massenverbrauch von Technologiegeräten und Elektrofahrzeugen gefragt, und Natriumionenbatterien (NIBs) haben weltweite Aufmerksamkeit für Energiespeichersysteme der nächsten Generation auf sich gezogen.
Ein leistungsstarkes, kostengünstigeres, nachhaltig gewonnenes Anodenmaterial für Natrium-Ionen-Batterien könnte den Bedarf an einer wachsenden alternativen Batterietechnologie decken. Die Forscher glauben, dass Natriumionenbatterien ein erhebliches Potenzial für die Speicherung im Netzmaßstab und mobile Anwendungen haben. Holz Mackenzie erwartet, dass Natrium-Ionen-Batterien einen Anteil an Personen-EVs und Energiespeichern einnehmen und in seinem Basisszenario bis 2030 20 GWh erreichen werden.
Vorhandene harte Kohlenstoffmaterialien werden typischerweise aus kohlenstoffhaltigen Vorläufern wie Pech – einem Nebenprodukt der Öl- und Gasindustrie – gewonnen, die einer langen Erhitzung bei hohen Temperaturen unterzogen werden. Dies ist ein sehr energieaufwändiges Verfahren, das in Kombination mit einem hochemissionshaltigen Ausgangsmaterial erhebliche Auswirkungen auf die Umwelt hat. Das Sparc/QUT-Projekt wird ein neuartiges Verfahren zur Herstellung von Hartkohlenstoff unter Verwendung kostengünstiger, nachhaltig gewonnener grüner Bioabfälle entwickeln, das auf die Natriumionenbatterieindustrie abzielt. Die Hartkohlenstoffmaterialien werden in den Einrichtungen von QUT für die Batterieentwicklung und -prüfung, darunter das National Battery Testing Center und die Central Analytical Research Facility, in einem Natriumionenzellenformat charakterisiert und getestet.
Vorteile von Natrium-Ionen-Batterien gegenüber Lithium-Ionen-Batterien, wie in einem gemeinsamen Sparc/QUT skizziert Pressemitteilungsind:
- Niedrigere Kosten und größere Verfügbarkeit von Rohstoffen
- Sicherheit und einfacher Transport
- Ähnliche Herstellungstechniken wie Lithium-Ionen und können daher die gleichen Produktionsanlagen verwenden
Das Projekt „Sustainable Hard Carbon Anode“ ergänzt die bestehenden Geschäfte von Sparc in den Bereichen Graphen und erneuerbare Energien. Graphen ist ein zweidimensionales Material aus Kohlenstoffatomen, die in einem hexagonalen Gitter angeordnet sind; Diese Struktur schafft einzigartige und starke Eigenschaften, die Produkten verliehen werden können, um die Leistung zu verbessern.
Der Rahmen für eine langfristige Zusammenarbeit ermöglicht es Sparc und QUT, zusammenzuarbeiten, um neue Projekte zu identifizieren und durchzuführen. Sparc-Geschäftsführer Mike Bartels kommentierte: „Sparc freut sich, mit QUT eine strategische Partnerschaft einzugehen, die mit einem Projekt im Batterieanodenbereich mit der Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Herstellung von Hartkohlenstoff beginnt. Die Verwendung von leicht verfügbarem, nachhaltigem Bioabfallmaterial wird Sparc im Vergleich zu herkömmlichen Hartkohlenstoffquellen ein starkes ökologisches Wertversprechen bieten.“
Bartels fügte hinzu, dass die in Natrium-Ionen-Batterien verwendeten Materialien zugänglich sind, nicht wie bei Lithium-Ionen-Batterien in der Versorgung angefochten werden und eine erhöhte Sicherheit für die Energiespeicherung im industriellen Maßstab bieten.
Was hat es mit Natrium-Ionen-Batterien auf sich?
Natrium hat viele Eigenschaften als Kandidat für neue Batterietechnologien, vor allem, weil es kostengünstig und reichlich vorhanden ist. Andererseits hat seine begrenzte Leistung viele andere Forschungsprojekte und die Hoffnung auf Anwendungen im großen Maßstab zunichte gemacht.
In der Tat, das Schwere Instabilität der Festelektrolyt-Grenzfläche (SEI), das während wiederholter Zyklen gebildet wird, behindert die Entwicklung von NIBs. Eines der Dilemmata besteht darin, den flüssigen Kern der Batterie zu stabilisieren, um Leistungsprobleme früherer Natrium-Ionen-Batterieprojekte zu vermeiden. Wenn eine Batterie wiederholte Lade- und Entladezyklen durchläuft, verliert sie ihre Fähigkeit, eine Ladung zu halten.
Cornell Universität Forscher haben auch die Quelle eines anhaltenden Problems aufgedeckt, das die Haltbarkeit von Natrium-Ionen-Batterien begrenzt. Die schlechte Haltbarkeit rührt von einer bestimmten atomaren Umordnung beim Betrieb der Batterie her – dem P2-O2-Phasenübergang – da Ionen durch die Kristallstrukturen der Batterie wandern und diese schließlich aufbrechen. Während der Phasenübergang für Forscher von Interesse war, waren die Mechanismen dahinter schwierig zu untersuchen, insbesondere während des Batteriebetriebs.
Was braucht es, damit die Forschung und Entwicklung von Natriumionen-Sparc/QUT ähnliche Zuverlässigkeitsergebnisse wie die derzeit führenden Batteriequellen erzielt?
Der Wettbewerb unter den Batterietechnologien
Die 3 derzeit weit verbreiteten Batterietechnologien sind Blei-, Lithium- und Vanadium-Redox-Flow. Bei der Auswahl der am besten geeigneten Batteriechemie für den Energiespeicherbedarf eines Unternehmens sind eine Reihe von Faktoren zu berücksichtigen.
Reife der Technik: Blei ist die kommerziell ausgereifteste der drei Batterietechnologien und seit vielen Jahren die primäre Energiespeicherlösung. Lithium ist eine weitere kommerziell ausgereifte Technologie in der Größenordnung, die zu diesem Zeitpunkt erforderlich ist. Mit seiner hohen Energiedichte ist Lithium derzeit die dominierende Batterietechnologie zur Energiespeicherung und kommt in einer Vielzahl von chemischen Kombinationen vor. Die Vanadium-Redox-Flow-Batterietechnologie gibt es seit über 50 Jahren, aber sie ist die am wenigsten ausgereifte der drei Chemien.
Nachhaltigkeit: Blei ist die nachhaltigste der 3 Batteriechemien mit einer Recyclingrate von 99 % und einer gut entwickelten Kreislaufwirtschaft, die die Blei-, Elektrolyt- und Kunststoffkomponenten gebrauchter Batterien wiederverwendet und recycelt. Vanadium ist nahezu unbegrenzt wiederverwendbar, da der Elektrolyt, der den Großteil eines Vanadium-Batteriesystems ausmacht, getrocknet, bei Bedarf gereinigt und dann in einem anderen System verwendet werden kann. Lithium ist aufgrund der Kosten und der Komplexität des Prozesses mit einer Recyclingrate von weniger als 5 % am wenigsten nachhaltig – eine Lithiumbatterie muss zerlegt und geschreddert, dann eingeschmolzen oder in Säure aufgelöst werden.
Betriebszeit: Vanadium eignet sich am besten für eine langfristige Energiespeicherung (6 Stunden oder mehr Betriebszeit). Es hat eine größere Stellfläche, ist aber einfacher zu erweitern. Lithium eignet sich für kurze bis mittlere Dauer (von einigen Minuten bis zu vier Stunden Betriebszeit). Blei funktioniert auch am besten für kurze bis mittlere Dauer, insbesondere in Situationen, in denen die Entladungstiefe ziemlich gering ist und niedrige Vorabkosten ein wichtiger Gating-Faktor sind.
Nützliches Leben: Die Nutzungsdauer einer Lithiumbatterie beträgt etwa 10 bis 15 Jahre, während Vanadium mehr als 30 Jahre halten kann. Bleibatterien können je nach Ausführung und Anwendung eine Nutzungsdauer von bis zu 30 Jahren haben.
Sicherheit: Alle 3 Batteriesysteme sind grundsätzlich sicher, sofern keine Defekte oder Beschädigungen vorliegen.
Lieferkette: Blei ist leicht verfügbar und wird im Inland produziert. Häusliches Recycling bietet 73% der Inlandsnachfrage nach Blei. Die USA verfügen über etwa 4 % der Lithiumreserven und produzieren weniger als 2 % des weltweiten Angebots. Derzeit gibt es keine inländische US-Produktion von Vanadium, wodurch die USA von ausländischen Quellen abhängig sind.
Abschließende Gedanken
Energie- und Klimabedenken haben den Forschungsbedarf in Bezug auf elektrische Energiespeicherung erhöht. Aufgrund der einzigartigen Vorteile von Natriumionenbatterien, wie Kosten und nahezu unbegrenzte Ressourcen, hat das Interesse an ihnen in den letzten Jahren drastisch zugenommen. Das Sparc/QUT-Projekt gibt Hoffnung auf zusätzliche Ressourcen nachhaltiger Batteriematerialien und das Potenzial, umweltfreundlichere und sogar kostengünstigere Optionen als die von Lithium-Ionen-Batterien zu integrieren.
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