Mindenki egyetért a környezetvédelemmel, az alternatív energiákkal, köztük az elektromos üzemmóddal, legyen szó bármilyen gépről, járműről, míg sok mindennapos eszköznél ez teljesen természetes. Azonban vannak jogos aggodalmak is, mert a legjobb kapacitású akkukhoz való ritka (nehéz)fémekből nincs túl sok a bolygónkon, és önmagukban is veszélyesek, főleg az élő vizekre, de a gyártás- és újrahasznosítási technológiák szintén vetnek föl környezetvédelmi aggodalmakat, jogosan. De vannak, akik merőben más megoldásokat keresnek.

akkumulátor

A legjobb kapacitású akkukhoz való ritka fémekből nincs túl sok a bolygónkon – fotó: www.fataj.hu

A Stora Enso és a Northvolt együttműködik a megújuló fából készült akkumulátorok kifejlesztésében

Finnországban a Stora Enso és a Northvolt egyesíti erőit, hogy fenntartható akkumulátorokat hozzanak létre az északi erdőkből származó megújuló fából előállított ligninalapú kemény szén felhasználásával. A cél a világ első olyan iparosított akkumulátorának kifejlesztése, amelynek anódja teljes egészében európai nyersanyagokból származik, csökkentve ezzel mind a szén-dioxid-kibocsátást, mind a költségeket, amelyek az ellátási láncokból erednek.

A közös fejlesztés olyan fenntartható akkumulátorokra irányul, amelyeknek anódja megújuló nyersanyagokból készül, amelyeket fenntartható módon és helyben, a skandináv országok erdőiben termeltek.

A Stora Enso bioalapú szénanyagokat előállító kísérleti üzeme a finnországi Sunila cég telephelyén található, ahol 2015 óta már iparilag gyártják a lignint. Az éves lignintermelési kapacitás 50.000 tonna, amellyel a Stora Enso a világ legnagyobb kraft lignin* gyártója. A csoport egy megvalósíthatósági tanulmány keretében értékeli a Sunila telephelyen történő első ipari lignitgyártást is.

*A kraft-lignin a fa lúgos lebontásával keletkezik, ezzel szemben a szulfonált lignin a szulfit-cellulóz-eljárásból származik.

Papíralapú akkumulátor vízkapcsolóval

Az Empa kutatócsoportja vízzel aktiválható, eldobható papírakkumulátort fejlesztett ki. A kutatók szerint ez a kis teljesítményű, egyszer használatos eldobható elektronikai eszközök széles körének – például tárgyak követésére szolgáló intelligens címkék, környezeti érzékelők és orvosi diagnosztikai eszközök – energiaellátására és a környezetre gyakorolt hatásuk minimalizálására használható.

akkumulátor

A papírakkumulátor két elektrokémiai cellából áll – a papírcsík két végén –, amelyeket egy vízhatár választ el (az "m" és a "p" betűk között), és sorba kapcsolnak – fotó: www.empa.ch

Mint egy papírlap

A Gustav Nyström és csapata által kifejlesztett akkumulátor legalább egy négyzetcentiméteres cellából áll, amely három téglalap alakú papírcsíkra nyomtatott festékből áll. A papírcsíkban só, ebben az esetben egyszerűen nátrium-klorid vagy konyhasó van eloszlatva, és az egyik rövidebb végét viaszba mártották.

A papír egyik oldalára grafitpelyheket tartalmazó tinta van nyomtatva, amely az akkumulátor pozitív végeként (katód) működik, míg a papír hátoldalára cinkport tartalmazó tinta van nyomtatva, amely az akkumulátor negatív végeként (anód) működik. Egy másik, grafitpelyheket és szénfeketét tartalmazó tinta a papír mindkét oldalára, a másik két tinta tetejére kerül. Ez a tinta alkotja az áramgyűjtőket, amelyek az akkumulátor pozitív és negatív végét két vezetékkel kötik össze, amelyek a papír viaszba mártott végén helyezkednek el.

Ha kis mennyiségű vizet adunk hozzá, a papírban lévő sók feloldódnak, és töltött ionok szabadulnak fel, így az elektrolit ionvezetővé válik. Ezek az ionok aktiválják az akkumulátort azáltal, hogy szétoszlanak a papíron, ami azt eredményezi, hogy az anódon lévő tintában lévő cink oxidálódik, ezáltal elektronokat szabadít fel.

A (külső) áramkör bezárásával ezek az elektronok ezután a cinket tartalmazó anódról – a grafit- és koromtartalmú tintán, a vezetékeken és a készüléken keresztül – a grafitkatódra jutnak, ahol átkerülnek a környezeti levegő oxigénjéhez, és így redukálódnak. Ezek a redoxireakciók (redukció és oxidáció) így elektromos áramot generálnak, amely egy külső elektromos eszköz táplálására használható.


A koncepció bizonyítéka: fenntartható energiaforrás az alacsony fogyasztású elektronikához

Sablonnal nyomtatott papírakkumulátor, amely a kutatóintézetünk nevének ("Empa") betűzésére szolgál. Az akkumulátor képes alacsony fogyasztású elektronikát működtetni, mint például az akkumulátorhoz csatlakoztatott folyadékkristályos kijelzős (LCD) ébresztőóra. Ezért Nyström csapata két cellát kombinált egy akkumulátorba, hogy növelje az üzemi feszültséget, és az óra tényleg működött.

Az egycellás akkumulátor teljesítményének elemzése kimutatta, hogy két csepp víz hozzáadása után az akkumulátor 20 másodpercen belül aktiválódott, és amikor nem csatlakoztatták energiafogyasztó eszközhöz, stabilan 1,2 voltos feszültséget ért el. Egy szabványos AA alkáli elem feszültsége 1,5 volt.

60 perc elteltével az egycellás akkumulátor teljesítménye jelentősen csökkent a papír száradása miatt. Miután azonban a kutatók két további csepp vizet adtak hozzá, az akkumulátor stabilan fenntartotta 0,5 voltos üzemi feszültségét még több mint egy órán keresztül.

A kutatók javaslata szerint a papír és a cink biológiai lebonthatósága lehetővé teheti, hogy akkumulátoruk minimalizálja az eldobható, kis teljesítményű elektronika környezeti hatását. Az új akkumulátor különlegessége, hogy ellentétben sok fém-levegős, fémfóliát használó akkumulátorral, amely az akkumulátor lemerülésével fokozatosan fogy, az új kialakítás lehetővé teszi, hogy csak annyi cinket adjunk a tintához, amennyi az adott alkalmazáshoz ténylegesen szükséges. A fémfóliákat nehezebb volt ellenőrizni, és nem mindig fogytak el teljesen, ami anyagpazarláshoz vezetett. Ezért minél több cinket tartalmaz a tinta, annál tovább képes működni az akkumulátor.

Az akkumulátor jelenlegi, vízzel aktiválható kialakításának kritikusabb pontja az az idő, amely alatt az akkumulátor kiszárad, de a kutatók biztosak benne, hogy ezt másképp is meg lehet tervezni, megelőzve a problémát. Bizonyos páratartalomnál vagy nedves környezetben történő környezetérzékelési alkalmazásoknál azonban a papír kiszáradása nem jelentene problémát.

akkumulátor

Egy óra elteltével az egycellás akkumulátor teljesítménye a papír száradása miatt jelentősen csökkent. Miután azonban a kutatók két további csepp vizet adtak hozzá, az akkumulátor további több mint egy órán keresztül stabilan tartotta a 0,5 voltos üzemi feszültséget – fotó: www.empa.ch

Két egymást kiegészítő technológia

Korábban Nyström csapata már kifejlesztett egy papíralapú lebomló szuperkondenzátort, amelyet több ezer alkalommal lehetett feltölteni és kisütni anélkül, hogy veszített volna a hatékonyságából. Az azonos tömegű akkumulátorokhoz képest a szuperkondenzátorok energiasűrűsége körülbelül tízszer kisebb, ugyanakkor teljesítménysűrűsége körülbelül tízszer-százszor nagyobb. A szuperkondenzátorok ezért sokkal gyorsabban tölthetők és lemeríthetők. Sokkal több töltési és kisütési ciklust is kibírnak. A két eszköz tehát valójában kiegészíti egymást.

Az új, vízzel aktiválható akkumulátor mögött az az elképzelés állt, hogy olyan eszközöket tudjunk gyártani, amelyek teljesen feltöltődnek, és csak egy behatást követően – ebben az esetben egyszerűen egy vízcsepp – szabadítják fel ezt az energiát.

Források: www.empa.ch, www.biofuelsdigest.com