Een belangrijk bijproduct in de papierindustrie is lignosulfonaat, een gesulfoneerd koolstofafvalmateriaal, die doorgaans ter plaatse wordt verbrand, CO . vrijgeven ₂ in de atmosfeer nadat zwavel is opgevangen voor hergebruik.

Nu hebben onderzoekers van het Rensselaer Polytechnic Institute een methode ontwikkeld om deze goedkope en overvloedige papierbiomassa te gebruiken om een ​​oplaadbare lithium-zwavelbatterij te bouwen. Zo'n batterij kan worden gebruikt om grote datacenters van stroom te voorzien en om een ​​goedkopere optie voor energieopslag te bieden voor microgrids en het traditionele elektriciteitsnet.

"Ons onderzoek toont het potentieel aan van het gebruik van bijproducten van industriële papierfabrieken om duurzame, goedkope elektrodematerialen voor lithium-zwavelbatterijen, " zei Trevor Simmons, een Rensselaer-onderzoeker die de technologie ontwikkelde met zijn collega's van het Center for Future Energy Systems (CFES). Hij heeft het proces gepatenteerd met voormalig afgestudeerde student Rahul Mukherjee.

Oplaadbare lithium-ionbatterijen zijn momenteel de dominante batterijtechnologie. In recente jaren, echter, veel belangstelling is gegroeid rond de ontwikkeling van lithium-zwavelbatterijen, die meer dan het dubbele van de energie kunnen hebben van hun lithium-ion-tegenhangers van dezelfde massa.

Een oplaadbare batterij heeft twee elektroden:een positieve kathode en een negatieve anode. Tussen de elektroden is een vloeibare elektrolyt geplaatst die dient als medium voor de chemische reacties die elektrische stroom produceren. In een lithium-zwavelbatterij, de kathode is samengesteld uit een zwavel-koolstofmatrix, en een lithiummetaaloxide wordt gebruikt voor de anode.

In zijn elementaire vorm, zwavel is niet-geleidend, maar wanneer gecombineerd met koolstof bij verhoogde temperaturen, het wordt zeer geleidend, waardoor het kan worden gebruikt in nieuwe batterijtechnologieën. De uitdaging, echter, is dat zwavel gemakkelijk kan oplossen in de elektrolyt van een batterij, waardoor de elektroden aan weerszijden al na enkele cycli verslechteren.

Onderzoekers hebben verschillende vormen van koolstof gebruikt, zoals nanobuisjes en complexe koolstofschuimen, om de zwavel op zijn plaats te houden, maar met beperkt succes. "Onze methode biedt een eenvoudige manier om een ​​optimale kathode op zwavelbasis te maken uit een enkele grondstof, ' zei Simmons.

Om hun methode te ontwikkelen, de Rensselaer-onderzoekers werkten samen met Finch Paper in Glens Falls, die het lignosulfonaat verschafte. Deze "bruine vloeistof" (een donkere stroperige substantie) wordt gedroogd en vervolgens in een kwartsbuisoven verhit tot ongeveer 700 graden Celsius.

De hoge hitte verdrijft het grootste deel van het zwavelgas, maar houdt een deel van de zwavel vast als polysulfiden (ketens van zwavelatomen) die diep in een actieve koolstofmatrix zijn ingebed. Het verhittingsproces wordt herhaald totdat de juiste hoeveelheid zwavel in de koolstofmatrix is ​​opgesloten. Het materiaal wordt vervolgens vermalen en gemengd met een inert polymeer bindmiddel om een ​​kathodecoating op aluminiumfolie te creëren.

Het onderzoeksteam heeft tot nu toe een prototype van een lithium-zwavelbatterij gemaakt ter grootte van een horlogebatterij, die ongeveer 200 keer kan fietsen. De volgende stap is om het prototype op te schalen om de ontladingssnelheid en de levensduur van de batterij aanzienlijk te verhogen.

"Bij het hergebruiken van deze biomassa, de onderzoekers die met CFES werken, leveren een belangrijke bijdrage aan het behoud van het milieu, terwijl ze een efficiëntere batterij bouwen die een broodnodige stimulans zou kunnen zijn voor de energieopslagindustrie, " zei Martin Byrne, CFES directeur bedrijfsontwikkeling.