Η φύση θα δώσει τη λύση: Mπαταρίες από ξύλο με τη χρήση λιγνίνης από τα δέντρα [βίντεο]

Καθώς η ζήτηση για ηλεκτρικά οχήματα αυξάνεται, οι επιστήμονες αναζητούν υλικά για την κατασκευή βιώσιμων μπαταριών. Η λιγνίνη, το υλικό που κάνει τα δέντρα ξυλώδη, εξελίσσεται σε ισχυρό υποψήφιο.

Πριν από περίπου οκτώ χρόνια, ένας μεγάλος παραγωγός χαρτιού στη Φινλανδία συνειδητοποίησε ότι ο κόσμος άλλαζε.

Η άνοδος των ψηφιακών μέσων, η μείωση των εκτυπώσεων στα γραφεία και η φθίνουσα δημοτικότητα της ταχυδρομικής αποστολής – μεταξύ άλλων παραγόντων – σήμαινε ότι το χαρτί είχε αρχίσει να μειώνεται σταθερά.

Η Stora Enso, στη Φινλανδία, περιγράφει τον εαυτό της ως “έναν από τους μεγαλύτερους ιδιώτες ιδιοκτήτες δασών στον κόσμο”.

Ως εκ τούτου, διαθέτει πολλά δέντρα, τα οποία χρησιμοποιεί για την παραγωγή προϊόντων ξύλου, χαρτιού και συσκευασίας, για παράδειγμα.

Τώρα θέλει να κατασκευάσει και μπαταρίες – μπαταρίες ηλεκτρικών οχημάτων που φορτίζονται σε μόλις οκτώ λεπτά.

Η εταιρεία προσέλαβε μηχανικούς για να εξετάσουν τη δυνατότητα χρήσης της λιγνίνης, ενός πολυμερούς που βρίσκεται στα δέντρα.

Περίπου το 30% ενός δέντρου αποτελείται από λιγνίνη, ανάλογα με το είδος – το υπόλοιπο είναι σε μεγάλο βαθμό κυτταρίνη.

“Η λιγνίνη είναι η κόλλα στα δέντρα που κατά κάποιο τρόπο συγκολλά τις ίνες κυτταρίνης μεταξύ τους και επίσης κάνει τα δέντρα πολύ σκληρά”, εξηγεί ο Lauri Lehtonen, επικεφαλής της λύσης μπαταριών με βάση τη λιγνίνη της Stora Enso, Lignode.

Η λιγνίνη, ένα πολυμερές, περιέχει άνθρακα. Και ο άνθρακας αποτελεί ένα εξαιρετικό υλικό για ένα ζωτικό συστατικό των μπαταριών που ονομάζεται άνοδος.

Η μπαταρία ιόντων λιθίου στο τηλέφωνό σας είναι σχεδόν βέβαιο ότι διαθέτει άνοδο γραφίτη – ο γραφίτης είναι μια μορφή άνθρακα με στρωματοποιημένη δομή.

Οι μηχανικοί της Stora Enso αποφάσισαν ότι θα μπορούσαν να εξάγουν λιγνίνη από τα απόβλητα χαρτοπολτού που ήδη παράγονται σε ορισμένες από τις εγκαταστάσεις τους και να επεξεργαστούν αυτή τη λιγνίνη για να φτιάξουν ένα υλικό άνθρακα για ανόδους μπαταριών.

Η εταιρεία συνεργάζεται με τη σουηδική εταιρεία Northvolt και σχεδιάζει να κατασκευάσει μπαταρίες ήδη από το 2025.

Με όλο και περισσότερους ανθρώπους να αγοράζουν ηλεκτρικά αυτοκίνητα και να αποθηκεύουν ενέργεια στο σπίτι, η παγκόσμια όρεξη για μπαταρίες αναμένεται να αυξηθεί απότομα τα επόμενα χρόνια. Όπως το βλέπει ο Lehtonen, “η ζήτηση είναι απλά συγκλονιστική”.

Το 2015, απαιτούνταν μερικές εκατοντάδες επιπλέον γιγαβατώρες (GWh) κάθε χρόνο σε όλα τα παγκόσμια αποθέματα μπαταριών – αλλά αυτό θα εκτοξευθεί σε μερικές χιλιάδες επιπλέον GWh που απαιτούνται ετησίως μέχρι το 2030, καθώς ο κόσμος απομακρύνεται από τα ορυκτά καύσιμα, σύμφωνα με τη συμβουλευτική εταιρεία διαχείρισης McKinsey.

Το πρόβλημα είναι ότι οι μπαταρίες ιόντων λιθίου στις οποίες βασιζόμαστε σήμερα εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από περιβαλλοντικά επιβλαβείς βιομηχανικές διαδικασίες και εξορύξεις.

Επιπλέον, ορισμένα από τα υλικά για τις μπαταρίες αυτές είναι τοξικά και δύσκολα ανακυκλώσιμα.

Πολλές από αυτές προέρχονται επίσης από χώρες με κακή καταγραφή των ανθρωπίνων δικαιωμάτων.

Η παραγωγή συνθετικού γραφίτη, για παράδειγμα, περιλαμβάνει τη θέρμανση άνθρακα σε θερμοκρασίες έως και 3.000C (5.432F) για εβδομάδες κάθε φορά.

Η ενέργεια γι’ αυτό προέρχεται συχνά από σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής με καύση άνθρακα στην Κίνα, σύμφωνα με τη συμβουλευτική εταιρεία Wood Mackenzie.

Αναζητούνται βιώσιμα υλικά μπαταριών που να είναι ευρύτερα διαθέσιμα. Κάποιοι λένε ότι μπορούμε να τα βρούμε στα δέντρα.

Γενικά, όλες οι μπαταρίες χρειάζονται μια κάθοδο και μια άνοδο – τα θετικά και αρνητικά ηλεκτρόδια, αντίστοιχα, μεταξύ των οποίων ρέουν φορτισμένα σωματίδια που ονομάζονται ιόντα.

Όταν μια μπαταρία φορτίζεται, τα ιόντα λιθίου ή νατρίου, για παράδειγμα, μεταφέρονται από την κάθοδο στην άνοδο, όπου εγκαθίστανται όπως τα αυτοκίνητα σε έναν πολυώροφο χώρο στάθμευσης, εξηγεί η Jill Pestana, επιστήμονας και μηχανικός μπαταριών με έδρα την Καλιφόρνια, η οποία εργάζεται σήμερα ως ανεξάρτητη σύμβουλος.

“Η κύρια ιδιότητα που θέλετε σε αυτή τη δομή στάθμευσης ενός υλικού είναι να μπορεί εύκολα να δεχτεί το λίθιο ή το νάτριο και να το αφήσει να φύγει, χωρίς να διαλύεται”, εξηγεί.

Όταν η μπαταρία εκφορτίζεται για να τροφοδοτήσει κάτι όπως ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο, τα ιόντα επιστρέφουν στην κάθοδο αφού απελευθερώσουν ηλεκτρόνια – τα ηλεκτρόνια κινούνται μέσω του καλωδίου σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα, μεταφέροντας ενέργεια στο όχημα.

Ο γραφίτης, λέει ο Pestana, είναι ένα “θεαματικό” υλικό επειδή λειτουργεί τόσο καλά ως αξιόπιστη άνοδος που επιτρέπει τη διεξαγωγή τέτοιων αντιδράσεων.

Οι εναλλακτικές λύσεις, συμπεριλαμβανομένων των δομών άνθρακα που προέρχονται από λιγνίνη, έχουν να δώσουν έναν αγώνα για να αποδείξουν ότι μπορούν να ανταποκριθούν στη δουλειά.

Ωστόσο, υπάρχουν πολλές εταιρείες που διερευνούν τις δυνατότητες της λιγνίνης στην ανάπτυξη μπαταριών, όπως η Bright Day Graphene στη Σουηδία, η οποία παράγει γραφένιο -μια άλλη μορφή άνθρακα- από λιγνίνη.

Ο Lehtonen εκθειάζει τις αρετές του υλικού ανόδου άνθρακα της εταιρείας του, το οποίο η Stora Enso ονόμασε Lignode.

Δεν αποκαλύπτει πώς ακριβώς η εταιρεία μετατρέπει τη λιγνίνη σε μια σκληρή δομή άνθρακα ή ποια ακριβώς είναι αυτή η δομή, παρά μόνο λέει ότι η διαδικασία περιλαμβάνει τη θέρμανση της λιγνίνης – αλλά σε θερμοκρασίες που δεν είναι ούτε κατά διάνοια τόσο υψηλές όσο αυτές που απαιτούνται για την παραγωγή συνθετικού γραφίτη.

Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό της προκύπτουσας δομής άνθρακα είναι ότι είναι “άμορφη”, ή ακανόνιστη, λέει ο Lehtonen:

“Στην πραγματικότητα επιτρέπει πολύ μεγαλύτερη κινητικότητα των ιόντων μέσα και έξω”.

Η Stora Enso ισχυρίζεται ότι αυτό θα τη βοηθήσει να κατασκευάσει μια μπαταρία ιόντων λιθίου ή νατρίου που θα μπορεί να φορτιστεί σε μόλις οκτώ λεπτά.

Η γρήγορη φόρτιση αποτελεί βασικό στόχο για τους προγραμματιστές μπαταριών ηλεκτρικών οχημάτων.

Ξεχωριστή έρευνα για τις ανόδους άνθρακα που προέρχονται από λιγνίνη, από τη Magda Titirici στο Imperial College του Λονδίνου στο Ηνωμένο Βασίλειο και τους συναδέλφους της, δείχνει ότι είναι δυνατόν να κατασκευαστούν αγώγιμα στρώματα που περιέχουν περίπλοκες, ακανόνιστες δομές άνθρακα με πολλές ατέλειες πλούσιες σε οξυγόνο.

Αυτές οι ατέλειες φαίνεται να αυξάνουν την αντιδραστικότητα της ανόδου με τα ιόντα που μεταφέρονται από την κάθοδο στις μπαταρίες ιόντων νατρίου, λέει η Titirici, γεγονός που με τη σειρά του συντομεύει τους χρόνους φόρτισης:

“Αυτό το αγώγιμο χαλί είναι φανταστικό για τις μπαταρίες”.

Ο Wyatt Tenhaeff, στο Πανεπιστήμιο του Ρότσεστερ στην πολιτεία της Νέας Υόρκης, έχει επίσης κατασκευάσει ανόδους που προέρχονται από λιγνίνη σε εργαστηριακές συνθήκες.

Η λιγνίνη είναι “πολύ ωραία”, λέει, επειδή είναι ένα υποπροϊόν που θα μπορούσε να έχει πολλές πιθανές χρήσεις.

Σε πειράματα, ο ίδιος και οι συνάδελφοί του διαπίστωσαν ότι μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν τη λιγνίνη για να φτιάξουν μια άνοδο με αυτοφερόμενη δομή, η οποία δεν απαιτούσε κόλλα ή συλλέκτη ρεύματος με βάση το χαλκό – ένα κοινό συστατικό στις μπαταρίες ιόντων λιθίου.

Παρά το γεγονός ότι αυτό θα μπορούσε να μειώσει το κόστος των ανόδων άνθρακα από λιγνίνη, ο ίδιος είναι επιφυλακτικός ως προς το ότι μπορούν να ανταγωνιστούν εμπορικά τις ανόδους γραφίτη.

“Απλώς δεν νομίζω ότι θα είναι αρκετά μεγάλη αλλαγή από άποψη κόστους ή απόδοσης ώστε να αντικαταστήσει τον παγιωμένο γραφίτη”, λέει.

Υπάρχει επίσης το ζήτημα της βιωσιμότητας. Η Chelsea Baldino, ερευνήτρια στο Διεθνές Συμβούλιο για τις Καθαρές Μεταφορές, λέει ότι εφόσον η λιγνίνη που χρησιμοποιείται για την παραγωγή ανόδων εξάγεται ως παραπροϊόν από τη διαδικασία παραγωγής χαρτιού, τότε δεν θα πρέπει να κοπούν επιπλέον δέντρα για την κατασκευή μπαταριών.

Εκπρόσωπος της Stora Enso επιβεβαιώνει ότι, επί του παρόντος, όλη η λιγνίνη που χρησιμοποιεί η εταιρεία είναι “παράπλευρο ρεύμα της διαδικασίας πολτοποίησης” και η αξιοποίησή της δεν αυξάνει τον αριθμό των δέντρων που κόβονται ή τον όγκο του ξύλου που χρησιμοποιείται για την παραγωγή χαρτοπολτού.

Ωστόσο, όποιος επιδιώκει να κατασκευάσει ανόδια από λιγνίνη πρέπει να διασφαλίσει ότι η δασοκομία από την οποία προέρχεται η λιγνίνη είναι επίσης βιώσιμη, προσθέτει ο Pestana.

“Εάν η βιομηχανία χαρτοπολτού δεν είναι βιώσιμη, τότε το ίδιο το υλικό δεν είναι ένα υλικό που προέρχεται από βιώσιμη παραγωγή”, εξηγεί.

Σύμφωνα με την ετήσια έκθεση της Stora Enso για το 2021 , η εταιρεία “γνωρίζει την προέλευση όλου του ξύλου που χρησιμοποιεί και το 100% προέρχεται από βιώσιμες πηγές”.

Υπάρχει τουλάχιστον ένας άλλος τρόπος με τον οποίο η λιγνίνη θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί στις μπαταρίες, εκτός από τις ανόδους.

Τον Απρίλιο, μια ερευνητική ομάδα στην Ιταλία δημοσίευσε μια εργασία σχετικά με τις προσπάθειές της να αναπτύξει έναν ηλεκτρολύτη με βάση τη λιγνίνη.

Πρόκειται για το συστατικό που βρίσκεται μεταξύ της καθόδου και της ανόδου – βοηθάει τα ιόντα να ρέουν μεταξύ των ηλεκτροδίων αλλά και αναγκάζει τα ηλεκτρόνια να ακολουθήσουν την επιθυμητή διαδρομή μέσω του ηλεκτρικού κυκλώματος στο οποίο είναι συνδεδεμένη η μπαταρία.

Με άλλα λόγια, αποτρέπει τα ηλεκτρόνια από το να αναπηδούν απλώς μεταξύ των ηλεκτροδίων, γεγονός που θα άφηνε το smartphone σας νεκρό σαν καρφί.

Μπορείτε να πάρετε πολυμερή για ηλεκτρολύτες από το πετρέλαιο, λέει ο Gianmarco Griffini από το Πολυτεχνείο του Μιλάνου, αλλά προσθέτει ότι θα ήταν ωφέλιμο να βρείτε εναλλακτικές, βιώσιμες πηγές αντ’ αυτού.

Εξηγεί ότι η ιδέα της χρήσης λιγνίνης προέκυψε αφού ο ίδιος και οι συνάδελφοί του πειραματίστηκαν με τη χρήση του υλικού σε ηλιακούς συλλέκτες – με ελαφρώς απογοητευτικά αποτελέσματα.

“Οι αποδόσεις που επιτυγχάνετε στα ηλιακά κύτταρα είναι σχετικά περιορισμένες, επειδή η λιγνίνη είναι καφέ, οπότε απορροφά στην πραγματικότητα λίγο φως”, εξηγεί. Στις μπαταρίες, αυτό δεν έχει σημασία.

Για την παραγωγή ανόδου, η λιγνίνη υφίσταται θερμική επεξεργασία για να διασπαστεί στους άνθρακες που την αποτελούν.

Αλλά ο Griffini, ο οποίος αυτοπροσδιορίζεται ως “πολυμερικός τύπος”, λέει ότι προτιμά να τη χρησιμοποιεί στην πολυμερή της μορφή.

Με αυτό το σκεπτικό, ο ίδιος και οι συνάδελφοί του ανέπτυξαν έναν πολυμερή ηλεκτρολύτη σε μορφή γέλης που υποβοηθούσε την κίνηση των ιόντων σε μια πειραματική μπαταρία καλίου.

“Στην πραγματικότητα βγήκε πολύ ωραία”, λέει.

Η εμπορική βιωσιμότητα όλων αυτών των ιδεών δεν έχει ακόμη αποδειχθεί.

Ο Titirici προσθέτει ωστόσο ότι, θεωρητικά, θα μπορούσε να φτιάξει κανείς μια μπαταρία που χρησιμοποιεί πολυμερή από λιγνίνη στον ηλεκτρολύτη καθώς και άνθρακα προερχόμενο από λιγνίνη στην άνοδο.

Ίσως θα μπορούσατε ακόμη και να το χρησιμοποιήσετε για να τροφοδοτήσετε τα ξύλινα ηλεκτρονικά εξαρτήματα που περιγράφονται σε μια εργασία νωρίτερα φέτος. Τέλεια τεχνολογία για το δεντρόσπιτό σας, σωστά; Ή μήπως αυτό θα ήταν υπερβολικό;

ΠΗΓΗ: ΒΒC

Πρωτοποριακό τεστ μπορεί να διαγνώσει τον αυτισμό σε μια τρίχα μαλλιών με 81% ακρίβεια

Ακολουθήστε τη HELLAS JOURNAL στη NEWS GOOGLE