Πριν από περίπου οκτώ χρόνια, ένας μεγάλος παραγωγός χάρτου στη Φινλανδία συνειδητοποίησε ότι ο κόσμος άλλαζε. Η επικράτηση των ψηφιακών μέσων, η πτώση των εκτυπώσεων και η φθίνουσα δημοτικότητα της αποστολής αντικειμένων ταχυδρομικώς -μεταξύ άλλων παραγόντων- σηματοδοτούσαν μια σταθερή πτώση για το χαρτί.
Η Stora Enso, στη Φινλανδία, θεωρείται ως «ένας από τους μεγαλύτερους ιδιωτικούς ιδιοκτήτες δασών στον κόσμο». Ως εκ τούτου, έχει πολλά δέντρα, τα οποία χρησιμοποιεί για την κατασκευή προϊόντων ξύλου, χαρτιού και συσκευασιών, για παράδειγμα. Τώρα θέλει να αρχίσει να κατασκευάζει και μπαταρίες ηλεκτρικών οχημάτων που φορτίζονται σε μόλις οκτώ λεπτά.
Η εταιρεία προσέλαβε μηχανικούς για να εξετάσουν τη δυνατότητα χρήσης λιγνίνης, ενός πολυμερούς που βρίσκεται στα δέντρα. Περίπου το 30% ενός δέντρου είναι λιγνίνη, ανάλογα με το είδος -το υπόλοιπο είναι σε μεγάλο βαθμό κυτταρίνη. «Η λιγνίνη είναι η κόλλα στα δέντρα που συνδέει τις ίνες κυτταρίνης μεταξύ τους και επίσης κάνει τα δέντρα πολύ σκληρά», εξηγεί ο Lauri Lehtonen, επικεφαλής της έρευνας για το προϊόν Lignode που είναι μπαταρία με βάση τη λιγνίνη.
Η λιγνίνη είναι ένα πολυμερές που περιέχει άνθρακα. Και ο άνθρακας είναι ένα εξαιρετικό υλικό για τις ανόδους των μπαταριών. Η μπαταρία ιόντων λιθίου στο τηλέφωνό σας είναι σχεδόν βέβαιο ότι έχει άνοδο γραφίτη – ο γραφίτης είναι μια μορφή άνθρακα με πολυεπίπεδη δομή. Οι μηχανικοί της Stora Enso αποφάσισαν ότι θα μπορούσαν να εξάγουν λιγνίνη από τον πολτό απορριμμάτων που ήδη παράγεται σε ορισμένες από τις εγκαταστάσεις τους και να επεξεργάζονται αυτήν τη λιγνίνη για να φτιάξουν ένα υλικό άνθρακα για ανόδους μπαταρίας. Η εταιρεία συνεργάζεται με τη σουηδική εταιρεία Northvolt και σχεδιάζει να κατασκευάσει μπαταρίες ήδη από το 2025.
Με όλο και περισσότερους ανθρώπους να αγοράζουν ηλεκτρικά αυτοκίνητα και να αποθηκεύουν ενέργεια, οι παγκόσμιες ανάγκες για μπαταρίες αναμένεται να αυξηθεί απότομα τα επόμενα χρόνια. Όπως χαρακτηριστικά αναφέρει ο Lehtonen, «η ζήτηση θα γίνει απλά αδιανόητη».
Το 2015, μερικές εκατοντάδες επιπλέον γιγαβατώρες (GWh) απαιτούνταν κάθε χρόνο για τις μπαταρίες παγκοσμίως -αλλά αυτό θα αυξηθεί σε μερικές χιλιάδες επιπλέον GWh που απαιτούνται ετησίως έως το 2030 καθώς ο κόσμος απομακρύνεται από τα ορυκτά καύσιμα, σύμφωνα με την εταιρεία συμβούλων διαχείρισης McKinsey.
Το πρόβλημα είναι ότι οι μπαταρίες ιόντων λιθίου, στις οποίες βασιζόμαστε σήμερα, εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από επιβλαβείς για το περιβάλλον βιομηχανικές διεργασίες και από την εξόρυξη. Επιπλέον, ορισμένα από τα υλικά για αυτές τις μπαταρίες είναι τοξικά και δύσκολα ανακυκλώνονται. Επίσης πολλά προέρχονται από χώρες που αντιμετωπίζουν σοβαρά ζητήματα ανθρωπίνων δικαιωμάτων.
Η κατασκευή συνθετικού γραφίτη, για παράδειγμα, περιλαμβάνει θέρμανση άνθρακα σε θερμοκρασίες έως και 3.000C (5.432 F) για εβδομάδες κάθε φορά. Η ενέργεια για αυτό προέρχεται συχνά από σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής με καύση άνθρακα στην Κίνα, σύμφωνα με την εταιρεία συμβούλων Wood Mackenzie. Η αναζήτηση συνεχίζεται για βιώσιμα υλικά μπαταρίας που είναι πιο ευρέως διαθέσιμα. Κάποιοι λένε ότι τα υλικά αυτά πρέπει να αναζητήσουμε στα δέντρα.
Γενικά, όλες οι μπαταρίες χρειάζονται μια κάθοδο και μια άνοδο - τα θετικά και αρνητικά ηλεκτρόδια, αντίστοιχα, μεταξύ των οποίων ρέουν φορτισμένα σωματίδια που ονομάζονται ιόντα. Όταν μια μπαταρία φορτίζεται, ιόντα λιθίου ή νατρίου, για παράδειγμα, μεταφέρονται από την κάθοδο στην άνοδο, όπου εγκαθίστανται σαν «αυτοκίνητα σε ένα πολυώροφο πάρκινγκ», εξηγεί η Jill Pestana, ειδικός στις μπαταρίες που εργάζεται ως ανεξάρτητος σύμβουλος με έδρα την Καλιφόρνια των ΗΠΑ.
«Όταν η μπαταρία αποφορτιστεί για να τροφοδοτήσει κάτι, όπως για παράδειγμα ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο, τα ιόντα επιστρέφουν στην κάθοδο αφού απελευθερώσουν ηλεκτρόνια – τα ηλεκτρόνια κινούνται μέσα από το καλώδιο σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα, μεταφέροντας ενέργεια στο όχημα». Ο γραφίτης, λέει η Pestana, είναι ένα «εντυπωσιακό» υλικό επειδή λειτουργεί τόσο καλά ως μια αξιόπιστη άνοδος που επιτρέπει να πραγματοποιηθούν τέτοιες αντιδράσεις.
Εναλλακτικές λύσεις για τις μπαταρίες, συμπεριλαμβανομένων των δομών άνθρακα που προέρχονται από λιγνίνη, εξετάζονται από πολλές εταιρείες όπως η Bright Day Graphene στη Σουηδία, η οποία παράγει το γραφένιο -μια άλλη μορφή άνθρακα- από λιγνίνη.
Ο Lehtonen εξυμνεί τις αρετές του υλικού ανόδου άνθρακα της εταιρείας του, το οποίο η Stora Enso έχει ονομάσει Lignode. Δεν έχει αποκαλύψει ακριβώς πώς η εταιρεία μετατρέπει τη λιγνίνη σε δομή σκληρού άνθρακα ή ποια είναι ακριβώς αυτή η δομή, αλλά αναφέρει ότι η διαδικασία περιλαμβάνει θέρμανση της λιγνίνης σε θερμοκρασίες που δεν είναι τόσο υψηλές όσο αυτές που απαιτούνται για την παραγωγή συνθετικού γραφίτη.
«Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό της δομής του άνθρακα που προκύπτει είναι ότι είναι «άμορφο» ή ακανόνιστο», λέει ο Lehtonen. «Πραγματικά επιτρέπει πολύ μεγαλύτερη κινητικότητα των ιόντων». Η Stora Enso υποστηρίζει ότι αυτό θα τους βοηθήσει να φτιάξουν μια μπαταρία ιόντων λιθίου ή νατρίου που μπορεί να φορτιστεί σε μόλις οκτώ λεπτά. Η γρήγορη φόρτιση είναι βασικός στόχος για τους κατασκευαστές μπαταριών ηλεκτρικών οχημάτων.
Ξεχωριστή έρευνα σε ανόδους άνθρακα που προέρχονται από λιγνίνη πραγματοποιήθηκε από την Magda Titirici και την ομάδα της στο Imperial College του Λονδίνου. Η έρευνα κατέληξε ότι είναι δυνατό να κατασκευαστούν αγώγιμες επιφάνειες / στρώματα που περιέχουν περίπλοκες, ακανόνιστες δομές άνθρακα με πολλές, πλούσεις σε οξυγόνο, ατέλειες. Αυτές οι ατέλειες φαίνεται να ενισχύουν την αντιδραστικότητα της ανόδου με ιόντα που μεταφέρονται από την κάθοδο σε μπαταρίες ιόντων νατρίου, λέει η Titirici, κάτι που με τη σειρά του μειώνει τους χρόνους φόρτισης. «Αυτό το αγώγιμο στρώμα είναι φανταστικό για τις μπαταρίες».
Ο Wyatt Tenhaeff, στο Πανεπιστήμιο του Ρότσεστερ στην Πολιτεία της Νέας Υόρκης, έχει επίσης κατασκευάσει ανόδους που προέρχονται από λιγνίνη στο εργαστήριο του. Η λιγνίνη είναι «πραγματικά καταπληκτική», λέει, επειδή είναι ένα υποπροϊόν που θα μπορούσε να έχει πολλές πιθανές χρήσεις. Σε πειράματα, αυτός και οι συνεργάτες του διαπίστωσαν ότι μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν τη λιγνίνη για να φτιάξουν μια άνοδο με αυτοφερόμενη δομή, η οποία δεν απαιτούσε κόλλα ή συλλέκτη ρεύματος με βάση το χαλκό -ένα κοινό συστατικό στις μπαταρίες ιόντων λιθίου.
Παρά το γεγονός ότι αυτό θα μπορούσε να μειώσει το κόστος των ανόδων άνθρακα που προέρχονται από λιγνίνη, ο Tenhaeff εκφράζει τη δυσπιστία του για το αν μπορούν να ανταγωνιστούν εμπορικά τις ανόδους γραφίτη. «Απλώς δε νομίζω ότι θα είναι μια αρκετά μεγάλη αλλαγή όσον αφορά το κόστος ή την απόδοση για να αντικαταστήσει τον γραφίτη που είναι μια δοκιμασμένη λύση».
Υπάρχει επίσης το θέμα της βιωσιμότητας. Η Chelsea Baldino, ερευνήτρια στο International Council on Clean Transportation, λέει ότι εφόσον η λιγνίνη που χρησιμοποιείται για την παραγωγή ανόδου εξάγεται ως υποπροϊόν από τη διαδικασία παραγωγής χαρτιού, οπότε δε θα κοπούν επιπλέον δέντρα για να δημιουργηθούν μπαταρίες.
Ένας εκπρόσωπος της Stora Enso επιβεβαιώνει ότι, επί του παρόντος, όλη η λιγνίνη που χρησιμοποιεί η εταιρεία είναι παραπροϊόν της διαδικασίας πολτοποίησης και η χρήση της δεν αυξάνει τον αριθμό των δέντρων που κόβονται ή τον όγκο του ξύλου που χρησιμοποιείται στην παραγωγή χαρτοπολτού. Όποιος θέλει να παράγει άνοδο από λιγνίνη πρέπει να διασφαλίσει ότι η υλοτομία από την οποία προέρχεται αυτή η λιγνίνη είναι επίσης βιώσιμη, προσθέτει ο Pestana. «Εάν η βιομηχανία χαρτοπολτού δεν είναι βιώσιμη, τότε το ίδιο το υλικό δεν είναι υλικό που προέρχεται από αειφόρο τρόπο», εξηγεί.
Σύμφωνα με την έκθεση για το 2021 της Stora Enso, η εταιρεία «γνωρίζει την προέλευση όλου του ξύλου που χρησιμοποιεί και το 100% προέρχεται από βιώσιμες πηγές».
Επίσης, υπάρχει τουλάχιστον ένας ακόμη τρόπος με τον οποίο η λιγνίνη θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε μπαταρίες, εκτός από τις ανόδους. Τον Απρίλιο του 2022, μια ερευνητική ομάδα στην Ιταλία δημοσίευσε εργασία σχετικά με τις προσπάθειές της να αναπτύξουν έναν ηλεκτρολύτη με βάση τη λιγνίνη. Ο ηλεκτρολύτης βρίσκεται μεταξύ της καθόδου και της ανόδου – βοηθά τα ιόντα να ρέουν μεταξύ των ηλεκτροδίων αλλά και αναγκάζει τα ηλεκτρόνια να πάρουν την επιθυμητή διαδρομή μέσω του ηλεκτρικού κυκλώματος στο οποίο είναι συνδεδεμένη η μπαταρία. Με άλλα λόγια, εμποδίζει τα ηλεκτρόνια απλά να αναπηδούν μεταξύ των ηλεκτροδίων, κάτι που δεν θα επέτρεπε στη συσκευή να λειτουργεί.
«Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε πολυμερή από το πετρέλαιο για ηλεκτρολύτες», λέει ο Gianmarco Griffini από το Πολυτεχνείο του Μιλάνου, αλλά προσθέτει ότι θα ήταν ωφέλιμο να βρεθούν εναλλακτικές, βιώσιμες πηγές. Εξηγεί ότι η ιδέα της χρήσης λιγνίνης προέκυψε αφότου ο ίδιος και οι συνάδελφοί του πειραματίστηκαν με τη χρήση του υλικού σε ηλιακούς συλλέκτες – με ελαφρώς απογοητευτικά αποτελέσματα. «Οι αποδόσεις που λαμβάνετε στους συλλέκτες είναι σχετικά περιορισμένες επειδή η λιγνίνη είναι καφέ, επομένως απορροφά λίγο φως. Στις μπαταρίες, αυτό δεν έχει σημασία», εξηγεί.
Για την παραγωγή ανόδου, η λιγνίνη υποβάλλεται σε θερμική επεξεργασία για να διασπαστεί στους άνθρακες που την αποτελούν. Αλλά ο Griffini, ο οποίος ασχολείται ειδικά με τα πολυμερή, λέει ότι προτιμά να το χρησιμοποιεί στην πολυμερή του μορφή. Έχοντας αυτό κατά νου, αυτός και οι συνεργάτες του ανέπτυξαν έναν ηλεκτρολύτη πολυμερούς γέλης που βοηθούσε την κίνηση των ιόντων σε μια πειραματική μπαταρία καλίου. «Στην πραγματικότητα βγήκε πολύ ωραία», λέει.
Η εμπορική βιωσιμότητα όλων αυτών των ιδεών δεν έχει ακόμη αποδειχθεί. Ο Titirici προσθέτει ωστόσο ότι, θεωρητικά, θα μπορούσε να φτιαχτεί μια μπαταρία που χρησιμοποιεί πολυμερή από λιγνίνη στον ηλεκτρολύτη καθώς και άνθρακες που προέρχονται από λιγνίνη στην άνοδο. Είμαστε κοντά ή μακριά από μια τέτοια τεχνολογία; Απομένει να δούμε στην πράξη στα αμέσως επόμενα χρόνια.
Με πληροφορίες από BBC Future
