Schmetterling auf Sonnenkollektor. Bildnachweis: Takver (cc 2.0)

Eine mit Harnstoff hergestellte Batterie, die häufig in Düngemitteln und im Urin von Säugetieren enthalten ist, könnte eine kostengünstige Möglichkeit bieten, Energie, die durch Sonnenenergie oder andere Formen erneuerbarer Energie erzeugt wird, für den Verbrauch während der Freizeit zu speichern.

Die Batterie ist nicht brennbar und enthält Elektroden aus reichlich Aluminium und Graphit. Der Hauptbestandteil des Elektrolyten, Harnstoff, wird bereits industriell in der Tonne für Pflanzendünger hergestellt.

„Im Grunde haben Sie also eine Batterie, die aus einigen der billigsten und reichsten Materialien besteht, die Sie auf der Erde finden können. Und es hat tatsächlich eine gute Leistung “, sagt Hongjie Dai, Chemieprofessor an der Stanford University. "Wer hätte gedacht, Sie könnten Graphit, Aluminium und Harnstoff nehmen und tatsächlich eine Batterie herstellen, die ziemlich lange fahren kann?"

In 2015 hat Dais Labor als erster eine wiederaufladbare Aluminiumbatterie hergestellt. Dieses System war in weniger als einer Minute geladen und dauerte Tausende von Lade-Entlade-Zyklen. Das Labor arbeitete mit Taiwans Industrial Technology Research Institute (ITRI) zusammen, um ein Motorrad mit dieser älteren Version anzutreiben, die einen großen Nachteil hatte: Es handelte sich um einen teuren Elektrolyten.

Die neueste Version enthält einen Harnstoff-basierten Elektrolyt und ist etwa 100-Mal billiger als das 2015-Modell, mit höherer Effizienz und einer Ladezeit von 45 Minuten. Es ist das erste Mal, dass Harnstoff in einer Batterie verwendet wurde.

Der Kostenunterschied zwischen den beiden Batterien, sagt Dai, ist "wie Tag und Nacht". Die Ergebnisse erscheinen in der Proceedings of the National Academy of Sciences.

Im Gegensatz zu Energie, die aus fossilen Brennstoffen gewonnen wird, kann Sonnenenergie im Wesentlichen nur dann genutzt werden, wenn die Sonne scheint. Ein Solarpanel pumpt tagsüber Energie in das Stromnetz. Wenn diese Energie nicht sofort verbraucht wird, geht sie als Wärme verloren.

Mit der steigenden Nachfrage nach erneuerbaren Technologien steigt auch die Nachfrage nach preiswerten, effizienten Batterien, um die Energie für die Freisetzung in der Nacht zu speichern. Heutige Batterien, wie Lithium-Ionen- oder Blei-Säure-Batterien, sind teuer und haben eine begrenzte Lebensdauer.

Die neue Batterie könnte eine Lösung für das Speicherproblem des Netzes sein, sagt Doktorand Michael Angell. "Das ist billig. Es ist effizient. Grid Storage ist das Hauptziel. "

Grid-Speicher ist auch das realistischste Ziel, wegen der niedrigen Kosten der Batterie, der hohen Leistungsfähigkeit und der langen Zykluszeit, sagt Angell. Eine Art von Effizienz, Coulomb-Effizienz genannt, ist ein Maß dafür, wie viel Ladung die Batterie pro Ladungseinheit, die sie während des Ladens aufnimmt, verlässt. Die Coulombic-Effizienz für diese Batterie ist hoch-99.7 Prozent.

Lithium-Ionen-Batterien, die häufig in kleinen elektronischen Geräten und anderen Geräten verwendet werden, können jedoch auch brennbar sein. Im Gegensatz dazu ist die Harnstoffbatterie nicht brennbar und daher weniger riskant.

"Ich würde mich sicher fühlen, wenn meine Ersatzbatterie in meinem Haus aus Harnstoff besteht, mit der geringen Chance, Feuer zu verursachen", sagt Dai.

Um die Anforderungen des Netzspeichers zu erfüllen, muss eine kommerzielle Batterie mindestens zehn Jahre halten. Durch die Untersuchung der chemischen Vorgänge in der Batterie hofft Angell, seine Lebensdauer zu verlängern.

Die Aussichten sind vielversprechend. Im Labor können diese auf Harnstoff basierenden Aluminium-Ionen-Batterien etwa 1,500-Ladezyklen mit einer 45-Minuten-Ladezeit durchlaufen.

"Mit dieser Batterie ist der Traum, dass Sonnenenergie in jedem Gebäude und jedem Haus gespeichert wird", sagt Dai. "Vielleicht wird es den Alltag verändern. Wir wissen es nicht. "

Die Patente der Batterie wurden von AB Systems, gegründet von Dai, lizenziert. Eine kommerzielle Version ist derzeit in Entwicklung.

Artikel Quelle

Jackie Flynn für  Stanford University

Das US-Energieministerium, der Global Networking Talent 3.0 Plan, das taiwanesische Bildungsministerium und das Taishan Scholar Project finanzierten die Arbeit.

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