De natuur is niet altijd genereus met haar geheimen. Daarom zoeken sommige onderzoekers naar ongebruikelijke plaatsen voor oplossingen voor onze moeilijkste uitdagingen, van krachtige antibiotica die zich verbergen in de ingewanden van kleine wormen, tot snelle robots geïnspireerd door vleermuizen.

Nutsvoorzieningen, Noordoost-onderzoekers zijn naar de bomen gegaan om te zoeken naar manieren om nieuwe duurzame materialen te maken van overvloedige natuurlijke hulpbronnen, met name, binnen de chemische structuur van microvezels waaruit hout bestaat.

Een team onder leiding van Hongli (Julie) Zhu, een assistent-professor mechanische en industriële techniek aan Northeastern, gebruikt unieke nanomaterialen die zijn afgeleid van cellulose om de grote en dure soort batterijen te verbeteren die nodig zijn om hernieuwbare energie op te slaan die wordt benut uit bronnen zoals zonlicht en wind.

Cellulose, het meest voorkomende natuurlijke polymeer op aarde, is ook het belangrijkste structurele bestanddeel van planten. Het bevat belangrijke moleculaire structuren om batterijen te verbeteren, plasticvervuiling verminderen, en het soort elektriciteitsnetten van stroom te voorzien dat hele gemeenschappen zou kunnen ondersteunen met hernieuwbare energie, zegt Zhu.

"We proberen polymeren uit hout te gebruiken, van schors, uit zaden, van bloemen, bacteriën, groene thee - van dit soort planten ter vervanging van plastic, "zegt Zhu.

Een van de grootste uitdagingen bij het opslaan van energie van de zon, wind, en andere vormen van hernieuwbare energie is dat variatie in factoren zoals het weer leidt tot inconsistente energiebronnen.

Dat is waar batterijen met een grote capaciteit om de hoek komen kijken. Maar het opslaan van de grote hoeveelheden energie die zonlicht en wind kunnen leveren, vereist een speciaal soort apparaat.

De meest geavanceerde batterijen om dat te doen, worden flowbatterijen genoemd, en zijn gemaakt met vanadiumionen opgelost in zuur in twee afzonderlijke tanks - een met een substantie van negatief geladen ionen, en een met positieve. De twee oplossingen worden continu vanuit de tank in een cel gepompt, die functioneert als een motor voor de batterij.

Deze stoffen worden altijd gescheiden door een speciaal membraan dat ervoor zorgt dat ze positieve waterstofionen uitwisselen zonder in elkaar over te vloeien. Die selectieve uitwisseling van ionen is de basis voor het vermogen van de batterij om energie op te laden en te ontladen.

Flow-batterijen zijn ideale apparaten om zonne- en windenergie op te slaan, omdat ze kunnen worden aangepast om de hoeveelheid opgeslagen energie te vergroten zonder afbreuk te doen aan de hoeveelheid opgewekte energie. Hoe groter de tanks, hoe meer energie de batterij kan opslaan uit niet-vervuilende en praktisch onuitputtelijke bronnen.

Maar om ze te maken, zijn verschillende bewegende stukken hardware nodig. Terwijl het membraan dat de twee stromende stoffen scheidt, vergaat, het kan ervoor zorgen dat de vanadiumionen uit de oplossing zich vermengen. Die crossover vermindert de stabiliteit van een batterij, samen met het vermogen om energie op te slaan.

Zhu zegt dat de beperkte efficiëntie van dat membraan, gecombineerd met de hoge kosten, zijn de belangrijkste factoren die ervoor zorgen dat flowbatterijen niet op grote schaal worden gebruikt in grootschalige netwerken.

In een recente krant, Zhu meldde dat een nieuw membraan gemaakt met nanokristallen van cellulose een superieure efficiëntie vertoont in vergelijking met andere membranen die vaak op de markt worden gebruikt. Het team testte verschillende membranen gemaakt van cellulose-nanokristallen om flowbatterijen goedkoper te maken.

"De kosten van ons membraan per vierkante meter bedragen 147,68 dollar, "Zhu zegt, eraan toevoegend dat haar berekeningen geen kosten in verband met marketing omvatten. "De prijsopgave voor het gecommercialiseerde Nafion-membraan is $ 1, 321 per vierkante meter."

Hun tests toonden ook aan dat de membranen, gemaakt met steun van de Rogers Corporation en het Innovation Center van het Kostas Research Institute in Northeastern, kan een aanzienlijk langere levensduur van de batterij bieden dan andere membranen.

Zhu's natuurlijk afgeleide membraan is bijzonder efficiënt omdat de cellulaire structuur duizenden hydroxylgroepen bevat, die bindingen van waterstof en zuurstof omvatten die het gemakkelijk maken voor water om in planten en bomen te worden getransporteerd.

In stroombatterijen, die moleculaire samenstelling versnelt het transport van protonen terwijl ze door het membraan stromen.

Het membraan bestaat ook uit een ander polymeer dat bekend staat als poly(vinylideenfluoride-hexafluorpropyleen), die voorkomt dat de negatief en positief geladen zuren met elkaar vermengen.

"Voor deze materialen een van de uitdagingen is dat het moeilijk is om een ​​polymeer te vinden dat protongeleidend is en dat ook een materiaal is dat zeer stabiel is in het stromende zuur, "zegt Zhu.

Omdat deze materialen praktisch overal aanwezig zijn, de membranen die ermee worden gemaakt, kunnen eenvoudig op grote schaal worden samengesteld die nodig zijn voor complexe elektriciteitsnetten.

In tegenstelling tot andere dure kunstmatige materialen die in een laboratorium moeten worden verzonnen, cellulose kan worden gewonnen uit natuurlijke bronnen, waaronder algen, vaste afvalstoffen, en bacteriën.

"Veel materiaal in de natuur is een composiet, en als we de componenten ervan desintegreren, we kunnen het gebruiken om cellulose te extraheren, " zegt Zhu. "Als afval van onze tuin, en veel vast afval waarvan we niet altijd weten wat we ermee moeten doen."