Können Batterien auch Kohlendioxid „absorbieren“? Schneller und sicherer als Sie denken!

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Salty Fish in the Sea (Master of Optics vom Changchun Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

In dieser sich ständig verändernden Welt stehen wir vor einem Problem, dem wir nicht aus dem Weg gehen können: Energie. Energie ist die treibende Kraft unserer Gesellschaft und der Grundstein des modernen Lebens.

Schon in der Antike lernten die Menschen, Feuer zu bewahren und für ihre Arbeit zu nutzen. Dies löste die erste Energierevolution aus und ermöglichte es ihnen, die natürlichen Ressourcen zu kontrollieren. Holzkohlegrillen ist eine typische Szene in dieser Phase.

In den 1770er Jahren erschien die weltweit erste mit Kohle betriebene Dampfmaschine. Die zweite Industrielle Revolution führte die Menschheit in das Dampfzeitalter und kohlebetriebene Dampfzüge steigerten die Transportmöglichkeiten der Menschen erheblich.

Mit der Entwicklung des Elektromagnetismus haben die Menschen nach und nach Generatoren und Elektromotoren mit praktischem Nutzen hergestellt. Einfach zu übertragende und nutzbare Elektrizität hat den Verbrennungsmotor ersetzt und markiert den Beginn der dritten Energierevolution der Menschheit. Mittlerweile kann man mit Elektrogrills grillen und es gibt elektrische Hochgeschwindigkeitszüge.

(Fotoquelle: VEER Gallery)

Allerdings ist die Energie aus herkömmlichen fossilen Brennstoffen nicht unbegrenzt verfügbar und ihre Nutzung führt zu Umweltverschmutzung und Treibhausgasemissionen, die unsere Umwelt stark belasten. Aus diesem Grund ist die Entwicklung neuer Energien besonders wichtig und dringend.

Neue Energie, Verringerung der Abhängigkeit von fossiler Energie

Der globale Klimawandel ist zu einer der größten Herausforderungen für die menschliche Entwicklung geworden und hat den weltweiten politischen Konsens und wichtige Maßnahmen zur Bekämpfung des Klimawandels stark vorangetrieben. Der globale Klimawandel stellt eine große Bedrohung für die globale Menschheit dar.

Im Bericht des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen (IPCC) vom Oktober 2018 heißt es, dass die globale Erwärmung auf 1,5 °C begrenzt werden müsse, um extreme Schäden zu vermeiden. Dieses Ziel kann nur erreicht werden, wenn die Welt bis Mitte des 21. Jahrhunderts einen Netto-Null-Ausstoß an Treibhausgasen erreicht. Um das Ziel der Null-Treibhausgasemissionen zu erreichen, hat die Suche und Entwicklung umweltfreundlicher alternativer Energiequellen höchste Entwicklungspriorität. Darunter sind die uns bestens bekannte Photovoltaik- und Windkrafterzeugung gute alternative Energiequellen.

Derzeit stehen die zentralisierte Stromerzeugung aus Photovoltaik und Windenergie in meinem Land weltweit an erster Stelle, doch beide Stromerzeugungsmethoden sind instabil und können nicht direkt an das Stromnetz angeschlossen werden. Das Stromnetz ist in die Bereiche Stromerzeugung und Stromverbrauch unterteilt. Die Stromerzeugung muss die Stromerzeugung in Echtzeit an den Stromverbrauchsbedarf anpassen. Thermische Kraftwerke können ihre Stromerzeugung durch Anpassung der Menge des verbrannten Brennstoffs steuern, während die Stromerzeugung von Photovoltaik und Windkraft durch natürliche Bedingungen bestimmt wird.

Nachts steigt der Strombedarf für die Beleuchtung, die Stromerzeugung durch Photovoltaik kann jedoch nicht genutzt werden. Bei der Stromerzeugung durch Windkraft kommt es aufgrund der schwankenden Windgeschwindigkeit in der Natur auch zu Schwankungen bei der Stromerzeugung, was wiederum zu Stromverschwendung führt.

Das Aufkommen der Energiespeichertechnologie ist eine hervorragende Triebkraft für die effiziente Nutzung erneuerbarer Energien.

(Bildquelle: vom Autor selbst erstellt)

Vergleicht man Elektrizität mit Wasser, entspricht die Stromerzeugung einem Wasserhahn, aus dem Wasser fließt, und die Stromverbrauchsseite der Wasserleitung. Die Wasserleistung neuer Energiehähne entspricht möglicherweise nicht immer dem Durchflussbedarf der Wasserleitungen. Derzeit spielt die Energiespeichertechnologie die Rolle eines Reservoirs. Durch Energiespeichertechnologie kann eine bestimmte Menge an Elektrizität gespeichert werden, sodass der von der Stromerzeugungsseite erzeugte überschüssige Strom gespeichert werden kann, um den Bedarf der Stromverbrauchsseite zu decken, wenn die Stromerzeugung nicht ausreicht.

Im Vergleich zu Pumpspeicherkraftwerken, Druckluftspeichern und Wasserstoffspeichern durch Wasserelektrolyse ist die elektrochemische Energiespeichertechnologie nicht durch Geologie, Topografie und Umwelt eingeschränkt. Es kann Strom direkt speichern und freisetzen und bietet großartige industrielle Aussichten.

Derzeit dominieren Lithiumbatterien die Branche der elektrochemischen Energiespeicherung. Da das Problem des Lithiumdendritenwachstums bei der Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien jedoch nicht gelöst ist (bei der Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien entsteht durch die Ansammlung von metallischem Lithium dendritisches Metall an der negativen Elektrode, was die Batterieleistung verringert und in schweren Fällen zu Kurzschlüssen, Verbrennungen oder Explosionen der Batterie führen kann), bergen groß angelegte Anwendungen hohe Sicherheitsrisiken.

Zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen: Energiespeicherbatterien, die Kohlendioxid absorbieren

Um die verschiedenen Mängel bestehender Batterien zu beheben, haben sich Forscher den Kopf zerbrochen, um eine „exzellente“ Batterie zu entwickeln, die sowohl effizient als auch umweltfreundlich und sicher ist. Als nächstes möchten wir eine äußerst umweltfreundliche Energiespeicherbatterie vorstellen, die während des Energiespeicherprozesses Kohlendioxid absorbiert und zur Erreichung der Kohlenstoffneutralität beiträgt – die wässrige organische Flüssigkeitsflussbatterie.

(Bildquelle: Referenz 1)

Das Modell der wässrigen organischen Flussbatterie ist in der Abbildung oben dargestellt, einschließlich Komponenten wie Lagertanks, Elektrolyten, Umwälzleitungen, Umwälzpumpen, Elektrodenplatten, Stromkollektoren und Membranen. Die Batterie speichert oder gibt Energie durch chemische Reaktionen von im Wasser gelösten organischen Stoffen frei.

Die positiven und negativen Elektrolyte sind organische Moleküle mit reversiblen elektrochemischen Redoxfähigkeiten (d. h. elektroaktive organische Moleküle) und werden jeweils in zwei Lagertanks aufbewahrt. Angetrieben durch eine Umwälzpumpe wird der Elektrolyt durch eine Umwälzleitung an die Elektrodenoberfläche transportiert, um dort eine elektrochemische Redoxreaktion durchzuführen und so eine Energiespeicherung bzw. -abgabe zu erreichen.

Die Elektrodenplatten, Stromkollektoren und Separatoren bilden den Hauptkörper der Batterie. Bei der Elektrodenplatte handelt es sich üblicherweise um eine hochdichte Graphitplatte mit einer Strömungsnut, die sowohl als Elektronendurchgang als auch als Flüssigkeitsdurchgang dient. Der Stromkollektor ist der Ort, an dem elektroaktive organische Moleküle Redoxreaktionen durchlaufen. Oft werden leitfähige Materialien mit großer spezifischer Oberfläche ausgewählt, wie etwa Kohlenstofffilz, Graphitfilz, flexibles Kohlenstoffgewebe oder Kohlenstoffpapier. Das Diaphragma dient zur Trennung der positiven und negativen Elektroden. Um die Übersprechen elektroaktiver organischer Moleküle wirksam zu unterbinden und gleichzeitig geladene Ionen wie H+, Na+, K+, Cl- durchzulassen und so die Ladung auszugleichen, werden im Allgemeinen Kationenaustauschmembranen zur Anpassung an negativ geladene organische Stoffe und Anionenaustauschmembranen zur Anpassung an positiv geladene organische Stoffe verwendet.

Das Team von Wang Pan an der Westlake University entwickelte in Zusammenarbeit mit Forschungsteams der Harvard University und der Universität der Chinesischen Akademie der Wissenschaften eine Klasse wasserlöslicher kleiner Moleküle zur organischen Energiespeicherung auf Basis von Phenazinderivaten und schlug eine Methode zur integrierten elektrochemischen Kohlenstoffabscheidung während des Lade- und Entladevorgangs von wässrigen organischen Flüssigkeitsflussbatterien vor.

(Bildquelle: Referenz 2)

Während des Ladevorgangs dieses Batterietyps speichert jedes Energiespeichermolekül im Elektrolyten Strom, während die ursprünglich neutrale Elektrolytumgebung in eine alkalische Umgebung umgewandelt wird, in der sich Kohlendioxid leicht lösen kann. Diese Umgebung kann Kohlendioxid in der Luft effizient auflösen.

(Bildquelle: Referenz 2)

Während des Entladevorgangs geben die Energiespeichermoleküle Elektrizität ab und verwandeln die alkalische Umgebung in eine saure Umgebung. Kohlendioxid ist in einer sauren Umgebung schlecht löslich, sodass es aus dem Elektrolyten entweicht und wieder in Gas umgewandelt wird, das dann gesammelt wird.

Durch das Laden und Entladen der Batterie kommt es zu „Schwingungen“ des Säure- und Alkalinitätsgrads des Elektrolyts, und Wissenschaftler machen sich diese Eigenschaft zunutze, um Kohlendioxid aus der Luft einzufangen und zu sammeln. Das Forschungsteam führte Experimente durch und stellte fest, dass die Effizienz der Batterie nach 200 Zyklen immer noch sehr hoch war. Nach Simulationsrechnungen stellte sich heraus, dass die Effizienz dieser Batterie der einer Reihe neuer Batterien nicht nachstand. Dieses Ergebnis wurde in der Zeitschrift Nature Energy veröffentlicht.

Abschluss

In der Antike verließen sich die Menschen zum Heizen auf die in Pflanzen oder Brennholz gebundene Biomasseenergie, später nutzten sie Öl und Kohle mit höherer Energiedichte und heute können sie Sonnenenergie, Windenergie und sogar Atomenergie direkt in leicht übertragbaren Strom umwandeln und so Tausende von Haushalten versorgen. Unser Energiebedarf steigt, doch auch die Auswirkungen auf die Umwelt werden immer wichtiger. Die Entwicklung effizienter, umweltfreundlicher und sicherer Geräte zur Energiegewinnung und -speicherung ist eine technische Herausforderung, die für eine nachhaltige menschliche Entwicklung bewältigt werden muss.

Quellen:

[1] Kong Taoyi, Dong Xiaoli, Wang Yonggang. Forschungsfortschritt bei aktiven Materialien für wässrige organische Flussbatterien[J]. Scientia Sinica: Chemie, 2023, 53(08): 1419-1436.

[2]WangP,PangS,JinS,etal.Hochleistungs- und hochstabile elektrochemische CO2-Abscheidungszelle mit gekoppelter Stromspeicherung[J].2023.

[3] Gong Yiping, Wang Chenhui, Xiu Xiaoqing et al. Ein Überblick über die Forschung zur Energiespeichertechnologie im großen Maßstab und zu multifunktionalen Anwendungen [J]. Stromversorgung und Verwendung. 1006-6357.2023.02.010.

[4] Huang Jianhang, Wang Yonggang, Xia Yongyao. Forschungsfortschritte im Bereich neuer chemischer Energiespeicherquellen[J]. Stromquellentechnologie, 2020, 44(06): 793-798.

[5] Peng Kang, Liu Junmin, Tang Gonggen et al. Forschungsstand und Perspektiven elektrochemisch aktiver Moleküle in wässrigen organischen Flussbatterien[J]. Wissenschaft und Technologie der Energiespeicherung, 2095-4239.2022.0009.

[6] Lu Liming. Analyse des aktuellen Stands und der Entwicklungstendenzen der neuen Energieerzeugungstechnologie[J]. Ingenieurbau und Design, 25.11.2020.

[7] Li Yuanyuan. Design- und Leistungsforschung von Schlüsselmaterialien für wässrige organische Flussbatterien[D]. Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas. 2022.001681.