Vietnamesischer Wissenschaftler stellt aus Reishülsen wiederaufladbare Batterien her

Das Forschungsteam von Associate Professor nutzt Reishülsen. Dr. Le My Loan Phung entwickelt Materialien zur kostengünstigen Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien.

Die Forschung wurde seit 2020 von Associate Professor Dr. Le My Loan Phung von der University of Science der Vietnam National University in Ho-Chi-Minh-Stadt (APCLab) und Kollegen geleitet.

Sie sagte, dass Reishülsen einen durchschnittlichen Kieselsäuregehalt (SiO2) von etwa 10,6 % aufweisen. Dabei handelt es sich um eine wichtige Komponente, die zur Herstellung von Lithium-Ionen-Akkus verwendet werden kann. Die Gruppe schlug vor und wurde vom Vingroup Innovation Fund (VinIF) gefördert, den Prozess der Synthese von Elektrodenmaterialien aus Reishülsen zu erforschen, um experimentell wiederaufladbare 4-V-Lithium-Ionen-Batterien in Knopfzellen- und Beutelzellenform herzustellen. Knopfbatterien werden in Uhren, Herzfrequenzmessgeräten, PCs und Taschenbatterien für Telefone und kleine Elektrogeräte verwendet.

Dr. Phung arbeitet in einer Vakuumkammer im Montageprozess von Knopfbatterien. Foto: NVCC

Das Forschungsteam nahm Reishülsen aus dem Bezirk Tan Tru (Long An), wusch sie, trocknete sie, erhitzte sie dann eine Stunde lang in einer inerten Atmosphäre, mahlte sie zu feiner Reishülsenasche und vermischte sie mit festem Kaliumhydroxid (KOH). Diese Mischung wird dann in einer inerten Atmosphäre erhitzt, gemahlen und gewaschen. Nach dem Trocknungsschritt ist das Endprodukt ein trockenes Pulver mit dunkelgrauer Farbe, auch bekannt als Kohlenstoff-Silica-Verbundmaterial (C/SiO2).

Die Gruppe hat ein Syntheseverfahren aus 1 kg Reishülsen entwickelt, mit dem 350 g C/SiO2-Material produziert werden können, mit einem Verkaufspreis von etwa 50 USD/1000 g. Nach zwei Jahren Probeproduktion war das Forschungsteam in der Lage, die Technologie zur Herstellung kompletter Knopfzellen und Taschenbatterien unter Verwendung von C/SiO2-Material aus Reishülsen zu beherrschen.

Flussdiagramm des Herstellungsprozesses von Silicamaterial. Foto: Forschungsteam

Außerordentlicher Professor Phung sagte, dass das Siliziumdioxidmaterial porös sei, wodurch sich Lithiumionen bewegen und in der Struktur verweben könnten, um sie in Elektrizität umzuwandeln. APCLab macht sich diese Eigenschaft des Materials zunutze, um eine für den Einsatz in wiederaufladbaren Batterien geeignete Struktur zu entwerfen. Abhängig von der Energieform des jeweiligen Batterietyps ist das Material so konzipiert, dass die verbrauchte Menge berechnet werden kann. Normalerweise benötigt jede Knopfbatterie nur einige Dutzend Milligramm Reishülsen, bei größeren Batterien sind es etwa 10–20 Gramm.

Die meisten derzeit auf dem Markt erhältlichen wiederaufladbaren Batterien werden aus Graphitmaterial hergestellt, das aus Kohleerz gewonnen und raffiniert wird. Dieses Material kostet etwa 100 USD/100 g und die Suche nach Rohstoffen kann zu Umweltverschmutzung führen.

Dr. Phung schätzte, dass Siliziumdioxidmaterial das Potenzial hat, Graphitmaterial hinsichtlich Kosten, Effizienz und Umweltschutz vollständig zu ersetzen. Dies erweitert den potenziellen Markt für Reishülsen und bringt den Landwirten große Gewinne.

Zukünftig plant das Forschungsteam, die Produktkalkulation auf Basis wirtschaftlicher Kosten zu optimieren. Aktuellen Schätzungen zufolge können Knopfbatterien aus Reishülsen für 7 bis 8 US-Dollar pro Stück und Taschenbatterien für 30 US-Dollar pro Stück verkauft werden.

Getestet werden Knopfbatterien aus Reishülsen. Foto: Forschungsteam

Außerordentlicher Professor Dr. Nguyen Dinh Quan, Leiter des Labors für Biokraftstoffe und Biomasse an der Technischen Universität der Vietnam National University in Ho-Chi-Minh-Stadt, kam zu dem Schluss, dass Kieselsäure bekanntermaßen als Zusatzstoff für Elektroden von wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden kann, da sie die Batteriekapazität um ein Vielfaches erhöhen kann. Der Nachteil besteht darin, dass die Elektrode anfällig für Volumenausdehnung ist. Dies kann jedoch durch die Verwendung nanogroßer Siliziumdioxidpartikel überwunden werden. APCLab hat weltweit ähnliche Forschungsarbeiten durchgeführt, um geformte Kieselsäure in Reishülsen als Zusatz für Batterieelektroden einzusetzen. In Reishülsen ist Kieselsäure in geringer Dichte verteilt. Wenn die Reishülsen pyrolysiert werden, bildet sich eine Mischung aus karbonisiertem Kohlenstoff, die die Struktur mit Kieselsäure in Nanogröße vermischt.

„Diese Methode ist einfach, aber äußerst effektiv und kann einem Reisanbau-Großraum wie Vietnam dabei helfen, einen hohen Mehrwert zu erzielen, wenn das Forschungsprojekt erfolgreich ist“, sagte Dr. Quan.

Laut Statistik ist Vietnam das zweitgrößte Reis produzierende Land der Welt mit einer geschätzten durchschnittlichen Produktion von etwa 44 Millionen Tonnen/Jahr, der Reishülsenanteil beträgt etwa 20–22 %, also fast 9 Millionen Tonnen.

Außerordentlicher Professor Dr. Le My Loan Phung studierte und forschte sechs Jahre lang in Frankreich auf dem Gebiet wiederaufladbarer Batterien und arbeitete neun Jahre lang an Themen im Zusammenhang mit elektrochemischen Batterien. Sie wurde eingeladen, am Institute of Materials Chemistry and Engineering der Kyushu University (Japan) an Forschungsarbeiten zum Projekt „Elektrolyte für Batterien“ und zum Projekt „Entwicklung fortschrittlicher Materialien für Batterien“ (Consortium Battery Material Research) am Pacific Northwest National Laboratory (USA) teilzunehmen. Die Ärztin war an neun Forschungsthemen beteiligt und leitete diese, veröffentlichte 80 internationale und 60 nationale Artikel und erhielt zahlreiche wertvolle Auszeichnungen und Stipendien von renommierten Organisationen.

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