Un importante sottoprodotto nell'industria della carta è il ligninsolfonato, un materiale di scarto di carbonio solfonato, che viene tipicamente bruciato in loco, rilasciando CO ₂ nell'atmosfera dopo che lo zolfo è stato catturato per il riutilizzo.

Ora i ricercatori del Rensselaer Polytechnic Institute hanno sviluppato un metodo per utilizzare questa biomassa di carta economica e abbondante per costruire una batteria ricaricabile al litio-zolfo. Una tale batteria potrebbe essere utilizzata per alimentare i grandi data center e fornire un'opzione di accumulo di energia più economica per le microreti e la rete elettrica tradizionale.

"La nostra ricerca dimostra il potenziale dell'utilizzo di sottoprodotti delle cartiere industriali per progettare progetti sostenibili, materiali per elettrodi a basso costo per batterie al litio-zolfo, " disse Trevor Simmons, un ricercatore Rensselaer che ha sviluppato la tecnologia con i suoi colleghi presso il Center for Future Energy Systems (CFES). Ha brevettato il processo con l'ex studente laureato Rahul Mukherjee.

Le batterie ricaricabili agli ioni di litio attualmente sono la tecnologia di batteria dominante. Negli ultimi anni, però, molto interesse è cresciuto intorno allo sviluppo di batterie al litio-zolfo, che possono avere più del doppio dell'energia delle loro controparti agli ioni di litio della stessa massa.

Una batteria ricaricabile ha due elettrodi:un catodo positivo e un anodo negativo. Tra gli elettrodi c'è un elettrolita liquido che funge da mezzo per le reazioni chimiche che producono corrente elettrica. In una batteria al litio-zolfo, il catodo è composto da una matrice zolfo-carbonio, e per l'anodo viene utilizzato un ossido di litio metallico.

Nella sua forma elementare, lo zolfo non è conduttivo, ma quando combinato con il carbonio a temperature elevate, diventa altamente conduttivo, consentendone l'utilizzo in nuove tecnologie delle batterie. La sfida, però, è che lo zolfo può facilmente dissolversi nell'elettrolita di una batteria, causando il deterioramento degli elettrodi su entrambi i lati dopo solo pochi cicli.

I ricercatori hanno utilizzato diverse forme di carbonio, come nanotubi e schiume di carbonio complesse, per confinare lo zolfo sul posto, ma con scarso successo. "Il nostro metodo fornisce un modo semplice per creare un catodo a base di zolfo ottimale da una singola materia prima, " ha detto Simmons.

Per sviluppare il loro metodo, i ricercatori Rensselaer hanno collaborato con Finch Paper a Glens Falls, che forniva il lignosolfonato. Questo "liquore marrone" (una sostanza sciropposa scura) viene essiccato e quindi riscaldato a circa 700 gradi Celsius in una fornace a tubo di quarzo.

Il calore elevato allontana la maggior parte del gas di zolfo, ma trattiene parte dello zolfo sotto forma di polisolfuri (catene di atomi di zolfo) che sono incorporati in profondità all'interno di una matrice di carbone attivo. Il processo di riscaldamento viene ripetuto fino a quando la giusta quantità di zolfo viene intrappolata nella matrice carboniosa. Il materiale viene quindi macinato e miscelato con un legante polimerico inerte per creare un rivestimento catodico su un foglio di alluminio.

Il team di ricerca ha finora creato un prototipo di batteria al litio-zolfo delle dimensioni di una batteria per orologio, che può eseguire un ciclo di circa 200 volte. Il passo successivo è quello di ampliare il prototipo per aumentare notevolmente la velocità di scarica e la durata del ciclo della batteria.

"Nel riutilizzare questa biomassa, i ricercatori che lavorano con CFES stanno dando un contributo significativo alla conservazione ambientale mentre costruiscono una batteria più efficiente che potrebbe fornire una spinta tanto necessaria per l'industria dello stoccaggio di energia, " ha detto Martin Byrne, Direttore dello sviluppo commerciale del CFES.