Nanomaterialer afledt af cellulose kan gøre vedvarende energi billigere

Naturen er ikke altid generøs med sine hemmeligheder. Det er derfor, nogle forskere ser på usædvanlige steder for at finde løsninger på vores hårdeste udfordringer, fra kraftige antibiotika, der gemmer sig i tarmene på små orme, til hurtige robotter inspireret af flagermus.

Nu, Nordøstlige forskere har taget til træerne for at lede efter måder at lave nye bæredygtige materialer fra rigelige naturressourcer - specifikt, inden for den kemiske struktur af mikrofibre, der udgør træ.

Et team ledet af Hongli (Julie) Zhu, en assisterende professor i maskin- og industriteknik ved Northeastern, bruger unikke nanomaterialer afledt af cellulose til at forbedre den store og dyre slags batterier, der er nødvendige for at lagre vedvarende energi udnyttet fra kilder som sollys og vind.

Cellulose, den mest udbredte naturlige polymer på jorden, er også den vigtigste strukturelle komponent i planter. Det indeholder vigtige molekylære strukturer for at forbedre batterier, reducere plastikforurening, og forsyne den slags elektriske net, der kunne understøtte hele samfund med vedvarende energi, siger Zhu.

"Vi forsøger at bruge polymerer fra træ, fra bark, fra frø, fra blomster, bakterie, grøn te - fra denne slags planter til at erstatte plastik, " siger Zhu.

En af de største udfordringer med at lagre energi fra solen, vind, og andre typer vedvarende energi er, at variation i faktorer som vejret fører til inkonsekvente strømkilder.

Det er her, batterier med stor kapacitet kommer ind i billedet. Men at lagre de store mængder energi, som sollys og vinden er i stand til at levere, kræver en særlig form for anordning.

De mest avancerede batterier til at gøre det kaldes flow-batterier, og er lavet med vanadiumioner opløst i syre i to separate tanke - den ene med et stof af negativt ladede ioner, og en med positive. De to opløsninger pumpes kontinuerligt fra tanken ind i en celle, der fungerer som en motor til batteriet.

Disse stoffer er altid adskilt af en speciel membran, der sikrer, at de udveksler positive brintioner uden at strømme ind i hinanden. Den selektive udveksling af ioner er grundlaget for batteriets evne til at oplade og aflade energi.

Flow-batterier er ideelle enheder til at lagre sol- og vindenergi, fordi de kan justeres for at øge mængden af ​​lagret energi uden at gå på kompromis med mængden af ​​energi, der kan genereres. Jo større tanke, jo mere energi kan batteriet lagre fra ikke-forurenende og praktisk talt uudtømmelige ressourcer.

Men at fremstille dem kræver flere bevægelige stykker hardware. Når membranen, der adskiller de to strømmende stoffer, henfalder, det kan få vanadiumionerne fra opløsningen til at blande sig. Den crossover reducerer stabiliteten af ​​et batteri, sammen med dens evne til at lagre energi.

Zhu siger, at den begrænsede effektivitet af den membran, kombineret med dets høje omkostninger, er de vigtigste faktorer, der forhindrer flowbatterier i at blive udbredt i storskala net.

I en nylig avis, Zhu rapporterede, at en ny membran fremstillet med cellulose -nanokrystaller viser overlegen effektivitet sammenlignet med andre membraner, der normalt bruges på markedet. Holdet testede forskellige membraner lavet af cellulose nanokrystaller for at gøre flow-batterier billigere.

"Omkostningerne til vores membran pr. kvadratmeter er 147,68 amerikanske dollars, "Zhu siger, tilføjer, at hendes beregninger ikke inkluderer omkostninger forbundet med markedsføring. "Prisen for den kommercialiserede Nafion-membran er $1, 321 per kvadratmeter."

Deres test viste også, at membranerne, lavet med støtte fra Rogers Corporation og dets innovationscenter ved Northeasterns Kostas Research Institute, kan tilbyde væsentlig længere batterilevetid end andre membraner.

Zhus naturligt afledte membran er særlig effektiv, fordi dens cellulære struktur indeholder tusindvis af hydroxylgrupper, som involverer bindinger af brint og ilt, der gør det let for vand at blive transporteret i planter og træer.

I flow-batterier, at molekylær makeup fremskynder transporten af ​​protoner, når de strømmer gennem membranen.

Membranen består også af en anden polymer kendt som poly(vinylidenfluorid-hexafluorpropylen), som forhindrer de negativt og positivt ladede syrer i at blande sig med hinanden.

"For disse materialer, en af ​​udfordringerne er, at det er svært at finde en polymer, der er protonledende, og som også er et materiale, der er meget stabilt i den strømmende syre, " siger Zhu.

Fordi disse materialer er praktisk talt overalt, Membraner fremstillet med det kan nemt sættes sammen i store skalaer, der er nødvendige for komplekse elnet.

I modsætning til andre dyre kunstige materialer, der skal laves i et laboratorium, cellulose kan udvindes fra naturlige kilder, herunder alger, fast affald, og bakterier.

"Meget materiale i naturen er en komposit, og hvis vi desintegrerer dens komponenter, vi kan bruge det til at udvinde cellulose, " siger Zhu. "Som affald fra vores gård, og en masse fast affald, som vi ikke altid ved, hvad vi skal stille op med."