Mit dem Aufkommen von Elektrofahrzeugen steigt der Bedarf an Batterien mit hoher Kapazität. „Es werden riesige Mengen produziert und verbraucht, was zu Umweltproblemen führen kann“, beobachtet Liangbing Hu, Direktor des Center for Materials Innovation an der University of Maryland (USA). „Zum Beispiel brauchen Polypropylen- und Polycarbonat-Separatoren, die in Lithium-Ionen-Batterien weit verbreitet sind, Hunderte oder Tausende von Jahren, um abgebaut zu werden, und tragen zur Umweltbelastung bei. Hinzu kommen der Arbeitsaufwand für die Herstellung dieser Batterien, die menschlichen und ökologischen Probleme im Zusammenhang mit der Ausbeutung der von ihnen verwendeten seltenen Erden.

In einem am Donnerstag in der Zeitschrift Matter veröffentlichten Artikel stellen Liangbing Hu und seine Forscherkollegen ihre Erfindung einer Batterie vor, die viel leichter biologisch abbaubar ist als Lithium-Ionen-Energiequellen. Und die verwendete Quelle ist überraschend da es Krabbenschalen sind.

Batterien arbeiten mit einer speziellen Substanz, die als Elektrolyt bezeichnet wird, um Ionen oder geladene Teilchen zwischen Anode und Kathode zu bewegen. Dieser Elektrolyt kann aus einer Vielzahl unterschiedlicher Materialien bestehen. Laut den Autoren dieser neuen Studie verwenden viele Batterien brennbare und ätzende Chemikalien, die nicht leicht biologisch abbaubar sind. Für ihre Batterie verwendeten Liangbing Hu und seine Kollegen einen Gelelektrolyten, der in einem biologischen Material namens Chitosan enthalten ist.

Krabbenschalen zur Herstellung erneuerbarer Batterien?

Derzeit werden zwei Arten von Batterien verwendet, um Telefone, Batterien und Elektroautos, Windkraftanlagen, Sonnenkollektoren und andere Gegenstände des täglichen Gebrauchs mit Strom zu versorgen: die Blei-Säure-Batterie und die Lithium-Ionen-Batterie. Ihre Gewinnungs- und Herstellungsmethoden sowie das Recycling (oder besser gesagt das seltene Recycling) ihrer Bestandteile werden jedoch regelmäßig herausgegriffen. Forscher des Center for Materials Innovation (CMI) an der University of Maryland (USA) glauben jedoch, eine alternative Lösung gefunden zu haben, um langlebigere und erneuerbare Batterien herzustellen: die Verwendung einer Komponente, die natürlicherweise in den Schalen von Krebstieren vorkommt.

Chitin mit vielversprechenden Eigenschaften

In einem Artikel in der Zeitschrift Matter, der am 1. September 2022 veröffentlicht wurde, erklären sie tatsächlich, dass Krebstiere (Krabben, Garnelen, Hummer) in ihren Exoskeletten Zellen haben, die reich an Chitin sind. Es ist diese organische Verbindung, die ihre Schale hart und widerstandsfähig macht. Es ist an anderer Stelle in der Natur vorhanden, beispielsweise in Pilzen, Insekten oder Flechten, wird aber normalerweise von der Lebensmittelindustrie als Lebensmittelabfall entsorgt. Chitin wird jedoch bereits seit mehreren Jahren von Wissenschaftlern untersucht. Es wird in der Medizin und Kosmetik eingesetzt, da es aufgrund seiner guten Verträglichkeit für biologisches Gewebe aufgrund seiner heilenden Eigenschaften ideal zur Behandlung von Verbrennungen ist.

Eine regenerative Batterie noch in der Testphase

Elektrotechnik-Experten interessieren sich nun für dieses Molekül – konkret für Chitosan, ein Derivat des Chitins. Chemische Behandlung und die Zugabe einer wässrigen Essigsäurelösung ermöglichten ihnen, Chitosan zu einer festen Gelmembran zu synthetisieren. Die Verbindung könnte somit als Elektrolyt verwendet werden, d. h. als Substanz in einer Batterie, die hilft, Ionen von einem Ende des Geräts zum anderen zu bewegen und so Energie zu speichern. Alles wurde mit Zink kombiniert, einem Metall, das zunehmend verwendet wird, um „billigere und sicherere“ Batterien herzustellen, erklären die Forscher in einer Pressemitteilung. So erhielten sie den Prototyp einer erneuerbaren Batterie.

Dieser, teilweise dank Krabbenpanzern entwickelte, hätte nach 1.000 Ladezyklen oder etwa 400 Stunden eine Effizienz von 99,7 %. Der neue Akku kann somit schnell geladen und entladen werden, ohne seine Leistung zu beeinträchtigen. Es könnte eine praktikable Option werden, um Energie aus Wind- und Sonnenenergie zu speichern und in die verschiedenen Stromnetze zu übertragen. Darüber hinaus wäre es nicht korrosiv und brennbar, wie dies bei solchen aus Lithium-Ionen der Fall sein kann. Es bleibt nun, diese Innovation in größerem Maßstab und unter kommerziellen Bedingungen zu testen.

Der zersetzte Elektrolyt, das Zink, werden wiederverwertet

Damit ein Elektrolyt schließlich als biologisch abbaubar gilt, müssen ungefähr zwei Drittel der Batterie durch mikrobiellen Abbau im Boden abgebaut werden können. Das Chitosan wäre den Forschern zufolge nach fünf Monaten vollständig von den Mikroben ausgelöscht worden. Nur die Metallverbindung Zink muss recycelt werden. Es kommt auch „in der Erdkruste häufiger vor als Lithium“, geben die Autoren der Studie an. Das Team arbeitet nun daran, noch umweltfreundlichere Batterien zu entwickeln: „Ich hoffe, dass in Zukunft alle Batteriekomponenten biologisch abbaubar sein werden. Nicht nur das Material selbst, sondern auch der Herstellungsprozess von Biomaterialien“, sagt Forschungsleiter Liangbing Hu.

Nachhaltige Batterien: Muscheln sollen Energieprobleme lösen

Um langlebige Batterien zu entwickeln, setzen Forscher auf Chitin und Zink. Ersteres kann aus den Schalen von Krabben und Hummer gewonnen werden und ist daher innerhalb weniger Monate biologisch abbaubar. Ob die Technologie den Weg in den Mainstream finden wird, bleibt jedoch unklar.

Aus Krabben- und Hummerschalen gewonnene Substanz für langlebige Batterien

Jedes Jahr machen vielversprechende neue Akkutechnologien die Runde, die der derzeit weit verbreiteten Lithium-Ionen-Technologie, wie sie beispielsweise in Smartphones zum Einsatz kommt, weit überlegen sein sollen. Deutlich weniger Gewicht, deutlich weniger Verschleiß und natürlich eine deutlich höhere Kapazität sind gängige Versprechen, die begeisterte Forscher immer wieder in die Waagschale werfen. Aber nur wenige von ihnen haben bisher den Markt erreicht.

Angesichts der vielbeachteten Klimakrise gewinnt das Nachhaltigkeitsargument aktuell immer mehr an Bedeutung. Und es hört auch bei Batterietechnologien nicht auf. Forscher haben einen Artikel über besonders langlebige Batterien veröffentlicht. Diese basieren statt auf Blei oder Lithium auf einem Stoff, der in Krabben- und Hummerschalen vorkommt. Es ist daher in kurzer Zeit vollständig biologisch abbaubar.

Biologisch abbaubare Elektrolytsubstanz auf Basis von Chitin und Zink

Das Exoskelett von Krebstieren enthält ein Material namens Chitin. Dieser ist mitunter für die Stabilität von Tanks verantwortlich. Umgewandelt in ein Chitosan genanntes Derivat und verbunden mit Zink, kann eine neue Elektrolytsubstanz geschaffen werden. Diese Substanz wird in nur fünf Monaten vollständig im Boden abgebaut und hinterlässt nur Zink, das dann recycelt werden kann.

„Zink kommt in der Erdkruste häufiger vor als Lithium“, sagte der Hauptautor der Veröffentlichung, Liangbing Hu, Direktor des Center for Materials Innovation an der University of Maryland. „Generell sind gut konstruierte Zinkbatterien billiger und sicherer.“ Nach 1000 Ladezyklen sollen langlebige Batterien noch 99,7 Prozent Wirkungsgrad haben. Dies macht es laut ScienceDaily zu einer praktikablen Option zur Speicherung von Wind- und Sonnenenergie.

Doch Tierschützer, die Krabben und Hummer inzwischen als gefährdet ansehen, sind beruhigt. Das für langlebige Batterien benötigte Chitin findet sich dem Bericht zufolge auch in anderen Quellen wie den Wänden von Pilzen oder Tintenfischen. Gut. Lasst uns für unsere Energieversorgung ein paar Meerestiere züchten und töten. Hauptsache, das Problem der Nachhaltigkeit ist endlich gelöst.

Die Kluft zwischen Labor und Realität bleibt immens

Wie Graham Newton, Professor für Materialchemie an der University of Nottingham, gegenüber dem Guardian erklärte: „Bei der Entwicklung neuer Materialien für Batterietechnologien klafft normalerweise eine große Lücke zwischen vielversprechenden Laborergebnissen und einer überprüfbaren und skalierbaren Technologie.“

Man kann also auch bei dieser „vielversprechenden“ Technologie gespannt bleiben, ob sie jemals zum Massenmarkt kommt. Es ist wahrscheinlicher, dass sich in ein paar Jahren niemand mehr an diesen unglaublich innovativen Durchbruch bei langlebigen Batterien erinnern wird. Wünschenswert wäre aber sicherlich ein gravierender Innovationsschub in der Batterietechnik. Denn Akkus sind bei Smartphones unter anderem im Hinblick auf die Langlebigkeit der Geräte oft ein limitierender Faktor.

Wissenschaftler behaupten, aus Schalengehäusen eine langlebige Batterie geschaffen zu haben

Elektroautos könnten bald von einer nachhaltigen Batterie aus Muscheln angetrieben werden.

Die Wissenschaftler stellten das Gerät aus Chitin her, dem Hauptstrukturbestandteil von Krebstieren. Die Substanz findet sich in der äußeren Hülle von Krabben, Hummer und Garnelen sowie in den Außenskeletten der meisten Insekten.

Die Studie wurde am Donnerstag in der von Experten begutachteten wissenschaftlichen Zeitschrift Question mit dem Titel „Ein langlebiger Chitosan-Zink-Elektrolyt für Zink-Metall-Batterien mit hoher Rate“ veröffentlicht. Es wurde von einer Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung von Professor Liangbing Hu von der University of Maryland geschrieben.

Chitin ist eine natürliche Verbindung, die als Biopolymer bezeichnet wird. Es wird bereits in Medikamenten, Pestiziden, Düngemitteln und als essbarer Film auf Lebensmitteln verwendet. Batterien verwenden einen Elektrolyten, um Ionen zwischen positiv und negativ geladenen Anschlüssen hin und her zu transportieren.

Es kann eine Flüssigkeit, Paste oder ein Gel sein und brennbare oder ätzende Chemikalien enthalten. Der neue Elektrolyt ist ein Gel aus Chitosan, einem Chitinderivat.