Metabolitter fra svampe har de samme egenskaber som vanadium, der benyttes i batterier. Ny forskning viser, at det er muligt at lave batterier med bio-quinoner fra svampe og dermed gøre batteriindustrien uafhængig af sjældne mineraler, som blandt andet ikke findes i den europæiske undergrund.
Batterier lavet af svampe lyder som en meget fjern tanke, men det er ikke desto mindre det, der er potentialet i en ny opdagelse, som forskere fra Aalborg Universitet har gjort.
I et nyt studie viser forskerne, at specifikke metabolitter kaldet bio-quinoner fra svampe har nogle egenskaber, der gør det muligt for dem at erstatte det relativt sjældne grundstof vanadium i battericeller.
Vanadium er udover sin sjældenhed også fraværende i den europæiske undergrund, hvorfor vi i Europa er afhængige af at importere overgangsmetallet fra blandt andet Kina, hvilket vi er uenige med i mange sammenhænge.
Det kan dog snart være slut med at tale om vanadium i batterier, hvis forskerne kan videreudvikle deres opdagelse til en fuldgod erstatning.
"Vi har vist, at bio-quinoner fra svampe kan lagre og frigive elektricitet på samme måde som vanadium i konventionelle redox-flow-batterier, der er en batteritype, som særligt benyttes til at lagre energi i større stationær skala fra for eksempel solcelle- og vindmølleparker. Hvis vi kan udvikle teknologien til at tåle at blive ladet og afladet flere tusinde gange, kan denne bæredygtige og svampebaserede batteri-kemi komme til at spille en afgørende rolle i den grønne omstilling," forklarer en af forskerne bag opdagelsen, lektor Jens Muff fra Institut for Kemi og Biovidenskab ved Aalborg Universitet.
Forskningen er offentliggjort i tidsskriftet Batteries & Supercaps.
Et tv-program ledte til en god idé
Opdagelsen tog sit udspring i, at Jens Muffs kollega, lektor Jens Laurids Sørensen, så et indslag i fjernsynsprogrammet ”So Ein Ding”, der omhandlede potentiel brug af elektrokemisk aktive organiske stoffer i batterier. Dog blev stofferne kemisk syntetiseret ud fra raffineret fossil råolie.
Jens Laurids Sørensen er specialist inden for svampe og deres metabolitter og fandt stoffernes struktur genkendelig. Han var overbevist om, at han kunne finde nogle svampestoffer med de samme egenskaber.
Derfor kontaktede han Jens Muff med henblik på at etablere et forskningssamarbejde om netop at identificere metabolitter fra svampe med elektrokemiske egenskaber interessante for batteriteknologi. Valget faldt først på gruppen af stoffer kaldet bio-quinoner, som med sine funktionelle quinon-grupper potentielt har egenskaberne til reversibelt at optage og afgive elektroner.
De første forsøg bekræftede dette potentiale.
»Vi kunne godt lagre strøm, men den bio-quinon, som vi kiggede på i den spæde start, var ikke egnet til det. Så vi besluttede os for at undersøge, om andre kendte bio-quinoner ville være mere effektive,« forklarer Jens Muff.
990 bio-quinoner har måske batteri-potentiale
I næste del af forskningsarbejdet identificerede forskerne 990 kendte quinoner af biologisk oprindelse. Ph.d.-studerende Sebastian Kristensen påtog sig opgaven med at bruge computersimuleringer til at undersøge det elektrokemiske potentiale i dem alle sammen.
Et elektrokemisk potentiale er et udtryk for et stofs evne til at optage og afgive elektroner. Et batteri fungerer ved, at et stof med lavt potentiale afgiver elektroner til et stof med et højere potentiale, når det aflades og frigiver energi. Når batteriet oplades, påføres energi i form af spænding for at tvinge elektronerne til at løbe tilbage igen. Forskellen i det elektrokemiske potentiale mellem de to sider giver den cellespænding, som batteriet kan levere, og stoffernes opløselighed bestemmer kapaciteten af batteriet.
Det omfattende simuleringsarbejde blev brugt til at identificere stoffet phoenicin som en kandidat til at demonstrere konceptet. Jens Laurids Sørensen kortlagde i samarbejde med kolleger fra Aalborg Universitet og Danmarks Tekniske Universitet den biokemiske syntesevej, så forskerne kunne producere phoenicin i større mængder til deres eksperimenter.
»Problemet er, at svampene ikke producerer disse metabolitter i særlig store mængder - og slet ikke nok til at udføre eksperimentelle forsøg med dem. Men efter at vi identificerede syntesevejen, kunne vi overføre den til en gærsvamp, som kunne producere det i de mængder, der var nødvendige for at teste, om virkeligheden stemte overens med teorien,« siger Jens Muff.
Kan erstatte vanadium i batterier
Ph.d.-studerende Charlotte Wilhelmsen blev anmodet om at karakterisere phoenicin elektrokemisk og undersøge stoffets batteri-egenskaber.
Phoenicin har et negativt elektrokemisk potentiale og udgjorde i forsøgene den negative elektrolyt i batteriet. Undersøgelserne blev udført i samarbejde med en verdensførende forskergruppe inden for organiske redox-flow-batterier fra Jena Universitet i Tyskland og demonstrerede, at phoenicin godt kan erstatte vanadium i denne type batterier.
Fordelen ved at kunne erstatte vanadium med et biologisk molekyle er for det første, at kun få lande besidder verdens ressourcer af vanadium, og for det andet, at prisen på vanadium svinger med efterspørgslen på rustfrit stål, som også indeholder vanadium.
»Effektiv og billig energilagring udgør en flaskehals i den grønne omstilling, og geopolitisk giver det god mening, hvis vi selv kan producere organiske stoffer til brug i batterier, så vi ikke er afhængige af råstoffer fra andre lande. Derudover kan man i biologiske reaktorer producere al den phoenicin, som man har brug for, og inden for biologisk produktion er Danmark førende på verdensplan,« siger Jens Muff.
Skal kunne oplades 10.000 gange
Jens Muff fortæller, at der er klare fordele ved at bruge en svampemetabolit i batterier, men at der også er udfordringer, som forskerne skal løse i fremtiden.
Phoenicin kommer med den fordel, at biomolekylet er vandopløseligt i en basisk opløsning, og når batteriet er udtjent, kan man hælde opløsningen i kloakken, hvorefter phoenicin let nedbrydes.
Dog betyder denne egenskab også, at phoenicin er meget mere let nedbrydeligt end for eksempel grundstoffet vanadium, som ikke nedbrydes, og det har betydning for batteriets levetid.
»Vi kan oplade et batteri med vanadium 10.000 gange. Det er vi langt fra med bio-quinoner. Vi har vist, at phoenicin kan bruges i batterier, og nu arbejder vi på at gøre dem så stabile, at kapaciteten kan opfylde genopladningskravene for forskellige anvendelser. Det kan vi opnå ved at ændre deres struktur via den biokemiske syntesevej eller ved at kombinere det med en afsluttende kemisk modificering. Vi er ved at indlede et samarbejde med en gruppe fra Danmarks Tekniske Universitet for at undersøge dette nærmere,« forklarer Jens Muff."
