Forskare vid Northwestern University har utvecklat ett ovanligt nytt material som kan samla in energi, lagra den under lång tid och sedan använda den för att driva kemiska reaktioner – allt i ett enda system.
Materialet fungerar på sätt som påminner om levande celler. Det kan bygga upp sig självt, lagra energi, brytas ned och sedan återställas igen med hjälp av syre från luften.
Upptäckten kan på sikt öppna dörren för nya typer av energilagring, mjuk elektronik och miljöteknik som inte kräver vare sig metaller eller plast.
Resultaten har publicerats i den vetenskapliga tidskriften Chem.
Ett av de stora problemen med förnybar energi
Förnybara energikällor som sol- och vindkraft producerar inte energi hela tiden.
Solen lyser inte på natten och vinden blåser inte alltid när elen behövs.
Därför är energilagring en av de viktigaste tekniska utmaningarna i övergången till ett fossilfritt samhälle.
Dagens lösningar bygger främst på batterier som innehåller metaller som litium, kobolt och nickel.
Även om dessa tekniker fungerar väl finns flera problem:
- Begränsade råvaror
- Hög miljöpåverkan vid utvinning
- Brandrisker
- Kostnader för storskalig lagring
Det är därför forskare världen över söker efter helt nya sätt att lagra energi.
Inspirerat av levande celler
Forskargruppen bakom den nya upptäckten hämtade inspiration från biologin.
I levande celler finns ett nätverk som kallas cytoskelett.
Till skillnad från människans benstomme är cytoskelettet inte permanent.
Det byggs ständigt upp, bryts ned och byggs upp igen.
Denna dynamiska struktur hjälper celler att:
- Behålla sin form
- Röra sig
- Dela sig
- Anpassa sig till förändringar
Forskarna ville skapa ett material som uppvisar liknande egenskaper men som samtidigt kan lagra energi.
Förvandlas från vätska till energirik gel
Materialet består av specialdesignade molekyler som självorganiserar sig i vatten.
När systemet laddas med energi genom ljus, elektricitet, kemiska reaktioner eller till och med röntgenstrålning sker en dramatisk förändring.
Den ursprungliga gula vätskan förvandlas gradvis till en mörk, nästan svart gel.
I detta tillstånd lagras elektroner i ett omfattande nätverk av självmonterade nanostrukturer.
Det är denna omvandling som gör materialet unikt.
Istället för att lagra energi i metallelektroder lagras energin genom att själva materialets struktur förändras.
Forskarna beskriver det som det första kända materialet som lagrar energi genom att fysiskt bygga om sig självt.
Kan lagra energi i månader
En av de mest anmärkningsvärda egenskaperna är hur länge energin kan lagras.
När materialet väl omvandlats till sin svarta gelform kan det behålla energin under flera månader.
När energin behövs kan den frigöras för att driva kemiska processer.
Det fungerar i praktiken på ett sätt som liknar ett uppladdningsbart batteri.
Skillnaden är att hela systemet är vattenbaserat och saknar traditionella batterikomponenter.
Fungerar även i totalt mörker
Normalt kräver många fotokatalytiska material kontinuerlig belysning för att fungera.
Det nya materialet fungerar annorlunda.
När det väl laddats kan det fortsätta att driva kemiska reaktioner även efter att ljuskällan försvunnit.
Forskarna kallar fenomenet för:
”Mörk fotokatalys”
Den lagrade energin används för att skapa mycket reaktiva syreföreningar som kan driva olika kemiska processer utan ytterligare energitillförsel.
Detta kan bli särskilt användbart inom:
- Miljörening
- Kemisk tillverkning
- Katalytiska processer
- Energilagring
Återställs av vanlig luft
Efter att energin använts behöver materialet inte demonteras eller återvinnas.
Istället räcker det att exponera det för luft.
Syret reagerar då med materialet och bryter ned den svarta gelstrukturen.
Resultatet blir att systemet återgår till sitt ursprungliga tillstånd som gul vätska.
Därefter kan det laddas om på nytt.
Processen kan upprepas gång på gång.
Kan användas för framtidens mjuka elektronik
Förutom energilagring ser forskarna flera andra potentiella användningsområden.
Eftersom ljus kan användas för att styra exakt var materialet omvandlas kan forskarna skapa mikroskopiska ledande mönster.
Dessa mönster kan senare försvinna när materialet återställs.
Det öppnar möjligheter för:
- Flexibel elektronik
- Självreparerande kretsar
- Adaptiva sensorer
- Mjuk robotteknik
- Programmerbara material
Kan ett gram räcka för en smartklocka?
Forskarna uppskattar att energitätheten är tillräckligt hög för att mycket små mängder material ska kunna lagra användbara energimängder.
Enligt studiens huvudförfattare professor Samuel Stupp skulle ungefär ett gram av materialet kunna lagra tillräckligt med energi för att driva eller ladda en smartklocka eller annan bärbar elektronik.
Även om tekniken fortfarande befinner sig på forskningsstadiet visar resultaten att helt nya typer av energilagring kan vara möjliga.
Ett batteri utan litium, kobolt eller plast
Det kanske mest intressanta med upptäckten är att materialet inte kräver de komponenter som traditionella batterier är beroende av.
Systemet:
- Är vattenbaserat
- Innehåller inga metaller
- Kräver ingen plast
- Kan laddas om upprepade gånger
- Bygger upp och bryter ned sig självt
Det gör tekniken särskilt intressant i en tid då efterfrågan på hållbara energilösningar ökar snabbt.
Kan förändra synen på energilagring
Även om tekniken fortfarande befinner sig långt från kommersiell användning representerar den ett nytt sätt att tänka kring energisystem.
Istället för att lagra energi i fasta battericeller lagras den i ett dynamiskt material som kontinuerligt kan förändra sin struktur.
Forskarna hoppas att konceptet på sikt ska kunna användas inom allt från förnybar energi och miljöteknik till framtidens elektroniska material.
Om utvecklingen fortsätter kan det innebära att framtidens energilagring inte nödvändigtvis bygger på större batterier – utan på smartare material som beter sig mer som levande system än traditionell elektronik.
