Glucose-Flow-Batterie nach menschlichem Stoffwechsel: Vitamin B2 erzielt Leistungswerte von Vanadium

Wissenschaftler der Pacific Northwest National Laboratory haben einen Prototyp einer Flow-Cell-Batterie entwickelt, die anstelle teurer und toxischer Metalle die Kombination von Glukose und Vitamin B2 (Riboflavin) zur Energiespeicherung nutzt. Laut der American Chemical Society adaptiert die in ACS Energy Letters veröffentlichte Studie den Mechanismus des körpereigenen Stoffwechsels, bei dem Enzyme Glukose zur Energiegewinnung abbauen. Das Riboflavin dient dabei als Vermittler, der Elektronen zwischen den Elektroden und dem Glukose-Elektrolyten hin und her schiebt. Dadurch kann die chemische Energie, die im Zucker gespeichert ist, in einen elektrischen Fluss umgewandelt werden.

Laut Jong-Hwa Shon, dem Hauptautor der Studie, ist der wesentliche Vorteil dieses Systems die Verwendung von ungiftigen, kostengünstigen und natürlich vorkommenden Komponenten. Das Forschungsteam sieht darin einen vielversprechenden Weg zu einer sichereren und erschwinglicheren Energiespeicherung in Haushalten. Da Glukose in den meisten Pflanzen enthalten ist, hat dieser Zucker das Potenzial, ein reichlich vorhandener und preiswerter Elektrolyt als Energiequelle in einer Flow-Cell-Batterie zu sein.

Herkömmliche Glukose-Brennstoffzellen benötigen spezielle Edelmetallkatalysatoren, um die Zuckermoleküle aufzuspalten und Strom zu erzeugen. Diese Modelle produzieren jedoch nur wenig Strom und lassen sich nur schwer für den industriellen Einsatz hochskalieren. Riboflavin hat sich in anderen Flow-Batterie-Typen als vielversprechende Alternative zu Metallkatalysatoren erwiesen, da das Vitamin bei dem basischen pH-Wert stabil ist, den die Elektrolyte in Glukose-Flow-Zellen benötigen. Deshalb wollten Shon, Ruozhu Feng, Wei Wang und ihre Kollegen eine Glukose-Brennstoffzelle entwickeln, die Riboflavin als Katalysator verwendet.

Das Team nutzte Kohlenstoffmaterial für die positive und negative Elektrode. Der Elektrolyt um die negative Elektrode enthielt eine aktive Form von Riboflavin und Glukose. An der positiven Elektrode wurden zwei Optionen untersucht: Kaliumferricyanid und Sauerstoff (wie in konventionellen Brennstoffzellen üblich). Obwohl die Zelle mit Kaliumferricyanid den Forschern präzisere Messungen der katalytischen Aktivität von Riboflavin ermöglichte, ist die Zelle mit Sauerstoff die kostengünstigere Option für den großtechnischen und praktischen Einsatz.

Bei einer Demonstration mit der Kaliumferricyanid-Zelle beobachteten die Forscher eine Leistungsdichte bei Raumtemperatur, die mit der von existierenden Vanadium-Flow-Batterien vergleichbar war. Dies ist ein wichtiger Meilenstein, da Vanadium-Batterien als etablierter Standard für große stationäre Speicher gelten.

Die Variante mit Sauerstoff als Katholyt, die für eine großtechnische und kostengünstige Anwendung besser geeignet wäre, zeigte hingegen langsamere Reaktionen an den Elektroden. Die Forscher vermuten, dass dies wahrscheinlich darauf zurückzuführen ist, dass Sauerstoff in Gegenwart von Licht das Riboflavin abbaut, wodurch sich die Batterie selbst entladen würde. Dennoch wies die Sauerstoffversion laut den Forschern im Vergleich zu früheren Berichten eine verbesserte Leistungsdichte auf.

Die Weiterentwicklung der Technologie konzentriert sich nun darauf, die Leistungsdichte der Sauerstoff-Glukose-Flow-Zelle zu steigern. Dies soll durch das Verhindern der lichtbedingten Reaktionen mit Riboflavin und die Verfeinerung der Zelltechnik erreicht werden. Ziel ist es, das volle praktische Potenzial dieser bio-inspirierten Batterie auszuschöpfen.

Obwohl die Technologie noch im Prototypenstadium steckt und Herausforderungen, insbesondere im Betrieb mit Sauerstoff, bestehen, markiert die Entwicklung einer Flow-Batterie mit metallfreien, biologisch inspirierten Komponenten wie Glukose und Riboflavin einen wichtigen Schritt. Das Konzept liefert eine fundierte Basis für zukünftige Entwicklungen, die auf sicherere und nachhaltigere stationäre Energiespeicher abzielen. Es bleibt abzuwarten, wann die Forscher eine Lösung für die Lichtempfindlichkeit des Riboflavins in der Sauerstoff-Zelle präsentieren können, um das System für eine breitere kommerzielle Anwendung zu rüsten.