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May 29, 2023

Mehr als nur Strom speichern: Wissenschaftler entwickeln Dual

Von Wiley, 30. August 2023 Forscher der Tsinghua-Universität haben eine Hybridbatterie entwickelt, die nicht nur Strom speichert und liefert, sondern auch wertvolle Chemikalien wie Furfurylalkohol produziert

Von Wiley, 30. August 2023

Forscher der Tsinghua-Universität haben eine Hybridbatterie entwickelt, die nicht nur Strom speichert und liefert, sondern auch wertvolle Chemikalien wie Furfurylalkohol und Furansäure produziert. Das Dual-Use-System kombiniert Funktionen von wiederaufladbaren und Redox-Flow-Batterien und nutzt spezielle Katalysatoren, um aus Biomasse gewonnenes Furfural in nützliche Chemikalien umzuwandeln, während die Batterie geladen oder entladen wird.

Wiederaufladbare Batterien speichern Elektrizität in ihren Elektrodenmaterialien, während Redox-Flow-Batterien Chemikalien verwenden, die in an den Elektroden angebrachten Tanks gespeichert sind. Wissenschaftler haben kürzlich ein Hybridbatteriesystem entwickelt, das nicht nur Strom speichert und bereitstellt, sondern in einem Strömungssystem auch nützliche Chemikalien erzeugt.

While in use the furfural–nickel hydroxide battery transforms biomass-sourced furfural into either furfuryl alcohol or furoic acidAny substance that when dissolved in water, gives a pH less than 7.0, or donates a hydrogen ion." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Säure.

Furfural ist ein kleines Molekül, das aus Pentosezuckern gebildet wird, die in landwirtschaftlicher Biomasse vorkommen, und gilt als wichtige Plattformchemikalie, aus der eine Reihe von Zwischenprodukten für verschiedene Anwendungen gewonnen werden können. Es kann zu Furansäure oxidiert werden, einem Lebensmittelkonservierungsmittel und Zwischenprodukt bei der Synthese von Arzneimitteln und Duftstoffen.

Bei der Reduktion wird Furfural in Furfurylalkohol umgewandelt, eine Vorstufe für Harze, Aromen und Arzneimittel. Haohong Duan und einem Forscherteam der Tsinghua-Universität in Peking, China, ist es nun gelungen, beide Mehrwertchemikalien während des Betriebs einer Hybrid-Flow-Batterie zu gewinnen und so die Kosteneffizienz des Batteriesystems zu steigern.

Standard-Akkus speichern beim Laden Strom in ihren Elektroden und speisen ihn beim Entladen in einen Stromkreis ein. Ein anderer Batterietyp, Redox-Flow-Batterien, speichert Elektrizität in Chemikalien, wobei die chemischen Produkte zwischen zwei Zuständen wechseln und in der Batterie verbleiben. Durch die Kombination beider Konzepte untersuchten die Forscher, inwieweit solche Batterien in der Lage sind, bei der Speicherung oder Bereitstellung von Energie zusätzliche Chemikalien zu produzieren.

A breakthrough came in the form of a bifunctional metal catalyst for the anode. Made of a rhodium–copper single-atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">atom alloyA mixture of two metallic elements typically used to give greater strength or higher resistance to corrosion." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Dieser Katalysator wandelte elektrolythaltiges Furfural beim Laden der Batterie problemlos in Furfurylalkohol um, während beim Entladen der Batterie Furansäure gebildet wurde. Für die Kathode identifizierten die Forscher ein mit Kobalt dotiertes Nickelhydroxidmaterial, ähnlich den Kathodenmaterialien, die in herkömmlichen Nickel-Zink- oder Nickel-Metallhydrid-Batterien verwendet werden.

Dieser Zusammenbau führte zu einem echten Batteriesystem mit doppeltem Verwendungszweck: Nach dem Laden (mithilfe einer Solarzelle) konnten vier in Reihe geschaltete Hybridbatterien verschiedene Geräte betreiben, darunter LED-Leuchten und Smartphones, während sie während des Batteriebetriebs kontinuierlich Furfurylalkohol und Furansäure produzierten Kreislauf, wobei diese Chemikalien über ein Strömungssystem abgeführt werden.

Die Autoren stellten fest, dass die neue Hybridbatterie in Bezug auf Energiedichte und Leistungsdichte mit einer Reihe herkömmlicher Batterien vergleichbar ist, aber gleichzeitig Strom und Mehrwertchemikalien liefert. Bei der Speicherung von 1 kWh Energie entstehen 0,7 kg Furfurylalkohol und 1 kg Furansäure, wenn das System eine Leistung von 0,5 kWh bereitstellt (mit der ein Kühlschrank einige Stunden lang laufen kann). Allerdings wird dem System kontinuierlich Furfural zugeführt und die Produkte müssen vom Elektrolyten getrennt werden.

Das Hybridkonzept des Teams ist ein Schritt zur Verbesserung der Nachhaltigkeit und Kosteneffizienz von wiederaufladbaren Batterien, es besteht jedoch noch Bedarf, das Konzept weiterzuentwickeln.

Referenz: „Wiederaufladbare Biomassebatterie zur Stromspeicherung/-erzeugung und gleichzeitigen Produktion wertvoller Chemikalien“ von Dr. Jing Li, Kaiyue Ji, Boyang Li, Prof. Ming Xu, Ye Wang, Prof. Hua Zhou, Qiujin Shi und Prof. Haohong Duan, 6. Juni 2023, Angewandte Chemie.DOI: 10.1002/ange.202304852