In een wetenschappelijke doorbraak waar George Washington Carver zelf jaloers op zou zijn, hebben wetenschappers misschien het meest ingenieuze gebruik van de pinda ooit bedacht. Maar dit zijn niet de populaire peulvruchten die Carver maakte tot voedingsmiddelen, kleurstoffen en cosmetica - ze verpakken pinda's. Een team van chemische ingenieurs aan de Purdue University heeft nu een fascinerende manier ontwikkeld om pinda's te hergebruiken voor de productie van koolstofanodes, een component van oplaadbare batterijen die beter presteren dan concurrerende batterijen op de markt.
Het verpakken van pinda's heeft bewezen ongelooflijk behulpzaam te zijn bij het verzekeren van de veilige aankomst van omvangrijke pakketten met verwaarloosbaar toegevoegd gewicht. Ze zijn echter een duivel om van weg te doen. Omdat ze zoveel ruimte innemen en duur zijn om te transporteren, accepteren veel recyclingdiensten geen pinda's meer. Hierdoor wordt slechts een fractie van de pinda's op de juiste manier gerecycled.
De resterende meerderheid wordt gedumpt op stortplaatsen waar ze een aanzienlijke bedreiging voor het milieu kunnen vormen. Naast het nemen van meerdere generaties om te ontleden, bevatten op polystyreen (piepschuim het gemeenschappelijke merk) gebaseerde pinda's chemicaliën waarvan wordt aangenomen dat ze kankerverwekkend zijn. Als reactie op kritiek op deze schadelijke milieueffecten hebben fabrikanten niet-toxische, op zetmeel gebaseerde, biologisch afbreekbare pinda's geïntroduceerd. Toch beweren de onderzoekers van Purdue dat dit "groene" alternatief ook potentieel gevaarlijke chemicaliën kan bevatten die worden gebruikt om deze pinda's "op te blazen".
Vilas Pol, universitair hoofddocent aan Purdue's School of Chemical Engineering en hoofdauteur van de studie, zegt dat zijn inspiratie voor het project kwam tijdens het bestellen van materialen voor zijn nieuwe experimentele laboratorium voor batterijonderzoek. "We kregen veel apparatuur en chemicaliën in veel dozen vol pinda's, en op een gegeven moment realiseerde ik me dat al deze pinda's zouden verspillen", zegt Pol. "We wilden iets doen dat goed was voor de samenleving en het milieu."
Lithium-ionbatterijen bestaan voornamelijk uit een positieve elektrode (kathode) gemaakt van een op lithium gebaseerde substantie, een negatieve elektrode (anode) gemaakt van koolstof, een polymeer membraan dat ze scheidt en een elektrolytvloeistof die lading door het membraan kan dragen. Wanneer de batterij wordt opgeladen, verplaatsen positieve lithiumionen zich van de positieve kathode naar de negatieve anode en worden ze opgeslagen op de koolstof. Omgekeerd, wanneer de batterij in gebruik is, stromen de lithiumionen in de tegenovergestelde richting en genereren ze elektriciteit.
Nadat een eerste analyse had aangetoond dat de primaire componenten van pinda's koolstof, waterstof en zuurstof zijn, probeerde het team een proces te ontwikkelen dat de koolstof kon gebruiken om een anode voor een lithium-ionbatterij te maken. Door de pinda's onder specifieke omstandigheden te verwarmen, was het team in staat om de koolstof te isoleren, waarbij speciale aandacht werd besteed aan de afvoer van zuurstof en waterstof door de vorming van waterdamp, om geen bijproduct te creëren dat schadelijk was voor het milieu. Het team bracht vervolgens extra warmte op de resterende koolstof en vormde het in zeer dunne platen die als anode voor hun batterij konden dienen.
Verrassend genoeg overtrof de nieuwe "ge-upcyclede" batterij de verwachtingen van de wetenschappers enorm: hij bewaarde meer algemene lading, met ongeveer 15 procent, en laadde sneller op dan andere vergelijkbare lithium-ionbatterijen. Het blijkt dat het unieke productieproces van het team de structuur van de koolstof onbedoeld in hun voordeel heeft veranderd. Nader onderzoek toonde aan dat wanneer water uit het zetmeel vrijkwam, het kleine poriën en holten produceerde - waardoor het totale oppervlak dat de lithiumlading kon vasthouden, werd vergroot. Pol en zijn collega's ontdekten ook dat hun proces de afstand tussen de koolstofatomen vergrootte - wat een snellere lading mogelijk maakte door de lithiumionen efficiëntere toegang tot elk koolstofatoom mogelijk te maken. "Het is alsof je een grotere deur hebt waar lithium doorheen kan reizen", zegt Pol. "En deze grotere ruimte motiveert lithium om sneller te bewegen."
Naast de inherente positieve milieu-impact van het hergebruiken van pinda's die anders stortplaatsen zouden overbevolken, vereist de isolatie van pure koolstof uit de pinda's minimale energie (slechts 1.100 graden Fahrenheit). De temperatuur die vereist is om conventionele koolstof te produceren die wordt gebruikt voor batterijanodes, is daarentegen tussen 3.600 graden en 4.500 graden Fahrenheit en duurt enkele dagen, zegt Pol.
De onderzoekers hebben een patent aangevraagd voor hun nieuwe technologie, in de hoop het in de komende twee jaar op de markt te brengen, en zijn van plan om ook andere toepassingen voor de koolstof te onderzoeken. "Dit is een zeer schaalbaar proces", zegt Pol. En “deze batterijen zijn slechts een van de toepassingen. Koolstof is overal.
