En viktig biprodukt inom papperstillverkningsindustrin är lignosulfonat, ett sulfonerat kolavfallsmaterial, som vanligtvis förbränns på plats, släpper CO ₂ ut i atmosfären efter att svavel har fångats upp för återanvändning.

Nu har forskare vid Rensselaer Polytechnic Institute utvecklat en metod för att använda denna billiga och rikliga pappersbiomassa för att bygga ett uppladdningsbart litium-svavelbatteri. Ett sådant batteri skulle kunna användas för att driva stora datacenter samt ge ett billigare alternativ för energilagring för mikronät och det traditionella elnätet.

"Vår forskning visar potentialen i att använda biprodukter från industriella pappersbruk för att designa hållbara, lågkostnadselektrodmaterial för litium-svavelbatterier, " sa Trevor Simmons, en Rensselaer-forskare som utvecklade tekniken tillsammans med sina kollegor vid Center for Future Energy Systems (CFES). Han har patenterat processen med den tidigare doktoranden Rahul Mukherjee.

Uppladdningsbara litiumjonbatterier är för närvarande den dominerande batteritekniken. På senare år har dock, stort intresse har vuxit kring att utveckla litium-svavelbatterier, som kan ha mer än dubbelt så mycket energi som sina litiumjonmotsvarigheter med samma massa.

Ett uppladdningsbart batteri har två elektroder - en positiv katod och en negativ anod. Mellan elektroderna finns en flytande elektrolyt som fungerar som medium för de kemiska reaktioner som producerar elektrisk ström. I ett litium-svavelbatteri, katoden är sammansatt av en svavel-kolmatris, och en litiummetalloxid används för anoden.

I sin elementära form, svavel är icke-ledande, men när det kombineras med kol vid förhöjda temperaturer, det blir mycket ledande, gör att den kan användas i nya batteriteknologier. Utmaningen, dock, är att svavel lätt kan lösas upp i ett batteris elektrolyt, vilket gör att elektroderna på båda sidorna försämras efter bara några cykler.

Forskare har använt olika former av kol, såsom nanorör och komplexa kolskum, att begränsa svavlet på plats, men med begränsad framgång. "Vår metod ger ett enkelt sätt att skapa en optimal svavelbaserad katod från ett enda råmaterial, " sa Simmons.

För att utveckla sin metod, Rensselaer-forskarna samarbetade med Finch Paper i Glens Falls, som gav lignosulfonatet. Denna "bruna sprit" (en mörk sirapsliknande substans) torkas och värms sedan upp till cirka 700 grader Celsius i en kvartsrörsugn.

Den höga värmen driver bort det mesta av svavelgasen men håller kvar en del av svavlet som polysulfider (kedjor av svavelatomer) som är inbäddade djupt i en aktivt kolmatris. Uppvärmningsprocessen upprepas tills rätt mängd svavel fångas i kolmatrisen. Materialet mals sedan upp och blandas med ett inert polymerbindemedel för att skapa en katodbeläggning på aluminiumfolie.

Forskargruppen har hittills skapat en prototyp av litium-svavelbatteri som är lika stor som ett klockbatteri, som kan cykla cirka 200 gånger. Nästa steg är att skala upp prototypen för att markant öka urladdningshastigheten och batteriets livslängd.

"Vid återanvändning av denna biomassa, forskarna som arbetar med CFES ger ett betydande bidrag till miljöbevarande samtidigt som de bygger ett mer effektivt batteri som kan ge ett välbehövligt lyft för energilagringsindustrin, sa Martin Byrne, CFES chef för affärsutveckling.