Med cellulosa från trä, Nordöstra forskare har skapat ett nytt biologiskt nedbrytbart material för att förbättra flödesbatterier och minska kostnaderna för att lagra energi från förnybara källor. Kredit:Ruby Wallau/Northeastern University
Naturen är inte alltid generös med sina hemligheter. Det är därför som vissa forskare söker sig till ovanliga platser för lösningar på våra tuffaste utmaningar, från kraftfulla antibiotika som gömmer sig i tarmarna på små maskar, till snabba robotar inspirerade av fladdermöss.
Nu, Nordöstra forskare har tagit till träden för att leta efter sätt att göra nya hållbara material från rikliga naturresurser – specifikt, inom den kemiska strukturen hos mikrofibrer som utgör trä.
Ett team ledd av Hongli (Julie) Zhu, en biträdande professor i maskin- och industriteknik vid Northeastern, använder unika nanomaterial som härrör från cellulosa för att förbättra den stora och dyra typen av batterier som behövs för att lagra förnybar energi från källor som solljus och vind.
Cellulosa, den vanligaste naturliga polymeren på jorden, är också den viktigaste strukturella komponenten i växter. Den innehåller viktiga molekylära strukturer för att förbättra batterier, minska plastföroreningar, och driva den typ av elnät som kan stödja hela samhällen med förnybar energi, säger Zhu.
"Vi försöker använda polymerer från trä, från bark, från frön, från blommor, bakterie, grönt te – från dessa typer av växter för att ersätta plast, " säger Zhu.
En av de största utmaningarna med att lagra energi från solen, vind, och andra typer av förnybar energi är att variation i faktorer som vädret leder till inkonsekventa kraftkällor.
Hogli (Julie) Zhu, biträdande professor i maskin- och industriteknik, testar de mest avancerade enheterna för att lagra förnybar energi, som består av två olika lösningar av vanadinjoner som kontinuerligt pumpas genom ett batteri. För att batteriet ska laddas och laddas ur effektivt, Lösningarna måste hållas isär med ett speciellt jonselektivt membran. Kredit:Ruby Wallau/Northeastern University
Det är där batterier med stor kapacitet kommer in. Men att lagra de stora mängder energi som solljus och vinden kan ge kräver en speciell typ av anordning.
De mest avancerade batterierna att göra det kallas flödesbatterier, och är gjorda med vanadinjoner lösta i syra i två separata tankar - en med en substans av negativt laddade joner, och en med positiva. De två lösningarna pumpas kontinuerligt från tanken in i en cell, som fungerar som en motor för batteriet.
Dessa ämnen separeras alltid av ett speciellt membran som säkerställer att de utbyter positiva vätejoner utan att flöda in i varandra. Det selektiva utbytet av joner är grunden för batteriets förmåga att ladda och ladda ur energi.
Flödesbatterier är idealiska enheter för att lagra sol- och vindenergi eftersom de kan justeras för att öka mängden energi som lagras utan att kompromissa med mängden energi som kan genereras. Ju större tankar, desto mer energi kan batteriet lagra från icke-förorenande och praktiskt taget outtömliga resurser.
Men att tillverka dem kräver flera rörliga delar av hårdvara. När membranet som separerar de två strömmande ämnena sönderfaller, det kan få vanadinjonerna från lösningen att blandas. Denna crossover minskar stabiliteten hos ett batteri, tillsammans med dess förmåga att lagra energi.
Zhu säger att membranets begränsade effektivitet, i kombination med dess höga kostnad, är de viktigaste faktorerna som hindrar flödesbatterier från att användas i stor skala i storskaliga nät.
Hogli Zhu, biträdande professor i maskin- och industriteknik, har skapat ett bioinspirerat membran med trähärledda nanofibrer för storskaliga batterier. Kredit:Ruby Wallau/Northeastern University
I en färsk tidning, Zhu rapporterade att ett nytt membran tillverkat av cellulosa nanokristaller visar överlägsen effektivitet jämfört med andra membran som ofta används på marknaden. Teamet testade olika membran gjorda av cellulosa nanokristaller för att göra flödesbatterier billigare.
"Kostnaden för vårt membran per kvadratmeter är 147,68 US-dollar, " Zhu säger, och tillägger att hennes beräkningar inte inkluderar kostnader förknippade med marknadsföring. "Prisuppgiften för det kommersialiserade Nafion-membranet är $1, 321 per kvadratmeter."
Deras tester visade också att membranen, gjort med stöd från Rogers Corporation och dess innovationscenter vid Northeasterns Kostas Research Institute, kan erbjuda avsevärt längre batterilivslängder än andra membran.
Zhus naturligt härledda membran är särskilt effektivt eftersom dess cellulära struktur innehåller tusentals hydroxylgrupper, som involverar bindningar av väte och syre som gör det lätt för vatten att transporteras i växter och träd.
I flödesbatterier, att molekylär sammansättning påskyndar transporten av protoner när de strömmar genom membranet.
Membranet består också av en annan polymer som kallas poly(vinylidenfluorid-hexafluorpropylen), som hindrar de negativt och positivt laddade syrorna från att blandas med varandra.
På grund av den robusta cellulära strukturen som tillhandahålls av cellulosa, som hjälper växter och träd att överleva, Zhus nya membran väljer och byter joner för att förbättra effektiviteten hos vanadinflödesbatterier. Kredit:Ruby Wallau/Northeastern University
"För dessa material, en av utmaningarna är att det är svårt att hitta en polymer som är protonledande och som också är ett material som är mycket stabilt i den strömmande syran, " säger Zhu.
Eftersom dessa material finns praktiskt taget överallt, membran tillverkade med det kan enkelt sättas ihop i stor skala som behövs för komplexa elnät.
Till skillnad från andra dyra konstgjorda material som måste kokas ihop i ett labb, cellulosa kan utvinnas från naturliga källor inklusive alger, fast avfall, och bakterier.
"Mycket material i naturen är en komposit, och om vi sönderdelar dess komponenter, vi kan använda den för att extrahera cellulosa, " säger Zhu. "Som avfall från vår trädgård, och mycket fast avfall som vi inte alltid vet vad vi ska göra med."
