Ligninbaserade batterier

Utmanande att få fram lämpligt lignin till flödesbatterier

Forskare har testat metoder för depolymerisering av makromolekylen lignin i jakten på ändamålsenliga molekyler för redoxflödesbatterier som kan användas för att jämna ut variationer i förnybar elproduktion.

Det finns goda miljö- och klimatskäl att öka andelen förnybar elektricitet i elnätet. Men en utmaning är att förnybar elektricitet typiskt är mer fluktuerande i naturen än traditionell baslast. Ett sätt att jämna variationerna är att använda flödesbatterier. När elen produceras i överskott kan flödesbatterierna ladda en elektrolyt med elektroner och elektrolyterna kan sedan lagras i tankar för att användas när vid behov. Detta ger en större flexibilitet och möjliggör längre lagring än med vanliga batterier.

Det här projektet har syftat till att utveckla nya naturliga, vattenbaserade organiska redoxlösningar baserade på lignin, som elektrolyter i ett redoxflödesbatteri, RFB. RFB har potential att drastiskt minska kostnaden för energilagring för stationära tillämpningar i jämförelse med exempelvis Li-jonbatterier eller flödesbatterier baserade på vanadin.

Lignin har länge betraktats som en attraktiv startpunkt för syntes av kemikalier och bränslen. Dock har det varit svårt att dela upp denna makromolekyl i mindre bitar som kan användas lättare för produktion av bränslen och kemikalier, eftersom den är mycket stabil.

I projektet användes en ny metod för detta, depolymerisering av lignin. Metoden, som har utvecklats på Lunds universitet, kan med kort uppehållstid oxidativt depolymerisera lignin till små fragment med hjälp av heterogena katalysatorer och på så sätt skapa molekyler som kan användas på ett effektivt sätt. Lösningarna har sedan karakteriserats elektrokemiskt i flödesbatteri vid Kungliga tekniska högskolan i Stockholm. I projektet optimerades först den oxidativa depolymeriseringen för att generera lämpliga ligninfragment både som de var efter depolymerisering och efter ytterligare modifiering. För batterierna undersöktes egenskaper som cellresistans, kapacitetsbevarande och coulombisk effektivitet, och en teknoekonomisk studie genomfördes.

Arbetet med att förbättra ligninets egenskaper var svårare än vad som kunde förutses. Oavsett vilken typ av lignin som användes var det komplicerat att få till rätt kemiska substitutionsmetoder för att göra molekylerna mer vattenlösliga, öka deras förmåga att bära laddning, och att få dem att fungera vid olika redoxpotentialer. Vidare forskning om att förbättra ligninets elektrokemiska reversibilitet och att utforska andra typer av lignin för RFB-applikationer är därför rimliga fortsatta aktiviteter.

För att på sikt kunna skala upp processen till kommersiell skala blir nästa steg att fortsätta förbättra redoxlösningarna.

Artiklar

Flera artiklar har producerats inom ramen för projektet:

• Lignin-Based Electrolytes for Aqueous Redox Flow Batteries (2024)
• Recent strides toward transforming lignin into plastics and aqueous electrolytes for flow batteries (2024)
• Oxidative Depolymerization of Kraft Lignin to Aromatics Over Bimetallic V–Cu/ZrO2 Catalysts (2023)
• On the Oxidative Valorization of Lignin to High‐Value Chemicals: A Critical Review of Opportunities and Challenges (2022)

Ytterligare artiklar förbereds för publicering och kommer att länkas här.