Zuckerbetriebene Brennstoffzellen für eine solarbetriebene Wirtschaft

Übermäßiger Zuckerkonsum mag für Gesundheitsbewusste ein absolutes Tabu sein, aber laut einem kürzlich in Nature Communications veröffentlichten Artikel könnte das, was für Sie schlecht ist, der perfekte Treibstoff für eine neue Generation von Brennstoffzellenbatterien sein.

YH Percival Zhang und sein Forscherteam an der Virginia Tech haben eine vielversprechende neue Biobatterie entwickelt, die mehr Energie aus Zucker gewinnen kann als eine Lithium-Ionen-Batterie. Dr. Zhang erklärt: „Zucker ist in der Natur eine perfekte Energiespeicherverbindung, daher ist es nur logisch, dass wir versuchen, diese natürliche Kraft auf umweltfreundliche Weise für die Herstellung einer Batterie zu nutzen.“

Die neue Batterie fällt in eine allgemeine Klasse der Brennstoffzellentechnologie, die als enzymatische Brennstoffzellen (EFCs) bezeichnet wird und Energie freisetzt, indem sie den Kraftstoff mithilfe chemischer Katalysatoren aufspaltet – anders als beispielsweise Verbrennungsmotoren, die Wärme nutzen, um dem Kraftstoff Energie zu entziehen. Der „Brennstoff“ ist in diesem Fall eine Zuckerart namens Maltodextrin, eine dem gewöhnlichen Zucker (Saccharose) ähnliche Verbindung, die aus natürlicher Maisstärke hergestellt werden kann. Es wird oft als Lebensmittelzusatzstoff in allen möglichen Produkten verwendet, von Limonaden über Süßigkeiten bis hin zu Bier.

Obwohl es bereits Versuche mit anderen zuckerbetriebenen Batterien gab, leiden solche Batterien im Allgemeinen unter langsamen Reaktionsgeschwindigkeiten (geringere Leistungsabgabe) oder niedrigen Energiedichten (erfordern häufigeres Auftanken), da der Kraftstoff nicht vollständig abgebaut wird. Beides ist für die meisten Batterieanwendungen unerwünscht.

Den Forschern ist es gelungen, diese Probleme zu überwinden, indem sie einen einzigartigen enzymatischen Weg (eine Reihe verwandter chemischer Reaktionen) geschaffen haben, der Energie in Form von Elektrizität freisetzt und gleichzeitig den Zucker vollständig abbaut. Unten sehen Sie ein Bild der Batterie, die eine Digitaluhr mit Strom versorgt.

Bildnachweis: Zhiguang Zhu et al. / Nature Communications

Der in dieser Studie verwendete Kraftstoff auf Maltodextrinbasis hat eine Energiedichte von etwa 300 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) – fast doppelt so viel wie Lithium-Ionen-Batterien (150 Wh/kg). Bei Verwendung von hochreinem Maltodextrin sind Energiedichten von bis zu 2000 Wh/kg möglich – eine satte 10-fache Verbesserung gegenüber Li-Ion (siehe Grafik unten).

Bildnachweis: Zhiguang Zhu et al. / Nature Communications

Neben einer höheren Energiedichte lässt sich die Batterie auch schnell wieder auffüllen und lässt sich einfacher entsorgen als brennbare Li-Ionen- oder Wasserstoff-Brennstoffzellenbatterien. Dr. Zhang sagt: „Im Gegensatz zu Wasserstoff-Brennstoffzellen und Direktmethanol-Brennstoffzellen ist die Brennstoff-Zucker-Lösung weder explosiv noch brennbar und weist eine höhere Energiespeicherdichte auf.“ Die zum Bau des Geräts verwendeten Enzyme und Brennstoffe sind biologisch abbaubar. Der Akku ist außerdem nachfüllbar und kann mit Zucker versetzt werden, so wie man eine Druckerpatrone mit Tinte füllt.“

Obwohl die Technologie vielversprechend erscheint, haben die Forscher zugegeben, dass weitere Arbeiten erforderlich sind. Obwohl es den Forschern gelungen ist, die Batterielebensdauer im Vergleich zu anderen zuckerbasierten Batterien um 50 % zu verbessern, wird die Gewährleistung der Langzeitstabilität der 13 verschiedenen Enzyme, die in der Batterie verwendet werden, der Schlüssel zur Bankfähigkeit der Technologie sein. Die Forscher sehen auch Möglichkeiten, die Energiedichte zu erhöhen und günstigere Elektroden zu verwenden, was erhebliche Kostenvorteile gegenüber anderen Batterietechnologien bietet, die teure Metalle und Seltenerdelemente verwenden.

Laut Dr. Zhang hoffen die Forscher, die Technologie in den nächsten Jahren auf den Markt zu bringen und dabei auf kleinere Anwendungen wie Smartphones, Tablets und Videospiele abzuzielen. In Kombination mit künstlichen Photosynthesetechnologien, die die Energie der Sonne nutzen, um Zucker zu produzieren, können solche zuckerbasierten Batterien jedoch eine sonnenbetriebene Alternative zu unserer auf fossilen Brennstoffen basierenden Wirtschaft darstellen. Wirklich süß!

Bildnachweis oben: Virginia Tech