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Das in tierischen Lebensmittel vorkommende Vitamin B12, das auch in industriellen Anlagen für den kommerziellen Gebrauch gezüchtet wird – vor allem von der Pharma- und Lebensmittelindustrie – wirkt sich positiv aus, wenn bestimmte Nährstoffmängel vorliegen und wirkt gegen Müdigkeit. Zu seinen etablierten Anwendungsbereichen in Medizin, Lebensmittelindustrie und Veterinärmedizin kommt nun eine ungewöhnliche Anwendung hinzu: Ein Team der Universität Córdoba hat es bei der Entwicklung einer wiederaufladbaren Batterie eingesetzt.
Batterie wird wiederaufladbar
Der Prototyp wurde von Forschern der Forschungsgruppe für Physikalische Chemie (FQM-204) am Chemischen Institut für Energie und Umwelt (IQUEMA) der Universität Córdoba entwickelt. Es handelt sich um eine Zink-Luft-Batterie, in die Vitamin B12 – auch bekannt als Cobalamin – integriert ist, das an einwandige Kohlenstoffnanoröhren gebunden ist. Diese Konfiguration begünstigt die elektrochemische Reaktion, da das Vitamin in seinem Kern Kobalt(III) enthält. Dies ist bereits das dritte Mal, dass diese Gruppe ein Biomolekül als Katalysator einsetzt, nachdem sie zuvor bereits an Batterien mit Hämoglobin und Katalase gearbeitet hatte, die jeweils Eisen(II) und Eisen(III) enthalten.
Der große Durchbruch besteht darin, dass es dem Team im Fall von B12 gelungen ist, die von ihnen entwickelte Batterie wiederaufladbar zu machen und dabei bis zu 250 Lade- und Entladezyklen zu erreichen.
Bei der Auswahl des Materials „haben wir uns die Eigenschaften angesehen, die in natürlich vorkommenden Materialien zu finden sind, um sie in neuen Batterien zu nutzen“, erklärte Manuel Cano Luna, Autor der Studie, zusammen mit den Forschern Valentín García Caballero, Miguel López León, Pablo Gómez Argudo, Luis Camacho Delgado, José Miguel Rodríguez Mellado, María Teresa Martín Romero, José Abad López und Antonio Jesús Fernández Romero.
Da es sich um ein hochlösliches Vitamin handelt, bestand die Herausforderung darin, einen Weg zu finden, es in einer Batterie zu binden, die mit wässrigen Elektrolyten arbeitet. Die Lösung bestand darin, es an Kohlenstoffnanoröhren zu binden und dabei „den Prozess nachzuahmen, durch den sich Aminosäuren in Proteinen miteinander verbinden“.
Vorteile der Zink-Luft-Batterien
Die Studie markiert einen weiteren Schritt vorwärts bei der Suche nach Alternativen zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien, die auf Rohstoffe angewiesen sind, deren Gewinnung wirtschaftliche, soziale und ökologische Herausforderungen mit sich bringt. In dieser Hinsicht sind Zink-Luft-Batterien aufgrund ihrer hohen Energiedichte und der Verwendung von Materialien wie Zink – das reichlich vorhanden und recycelbar ist – sowie von Sauerstoff selbst eine vielversprechende Alternative.
Da sie zudem nicht das gesamte reaktive Material im Inneren der Batterie speichern müssen, weil sie Sauerstoff aus der Umgebung beziehen, sind diese Batterien leichter, weshalb ihr Einsatz in kleinen Geräten wie Hörgeräten immer weiter verbreitet ist. Die Verwendung von nicht brennbaren wässrigen Elektrolyten macht sie zudem sicherer.
Um jedoch die Reaktion zu ermöglichen, die chemische Energie in elektrische Energie umwandelt, ist ein wirksamer Katalysator erforderlich; bei wiederaufladbaren Batterien muss dieser Katalysator zudem in der Lage sein, seine Funktion in beide Richtungen – beim Laden und Entladen – zu erfüllen. In diesem Zusammenhang erklärte der Forscher Antonio Jesús Fernández Romero, dass Vitamin B12 „nachweislich die notwendigen Voraussetzungen erfüllt, um als guter Katalysator zu wirken, da es während der Entladung die Reduktion von Sauerstoff zu Wasser katalysiert und während des Ladevorgangs die Produktion von Sauerstoff fördert“.
Nachhaltigere Energiespeicher sollen folgen
Dieser Durchbruch ebnet den Weg für die Entwicklung kostengünstigerer und nachhaltigerer Energiespeichersysteme, die eine Schlüsselrolle bei der Bewältigung einiger Herausforderungen der Energiewende spielen könnten, wie beispielsweise die Entwicklung von Batterien, die in der Lage sind, die von erneuerbaren Energiequellen erzeugte überschüssige Energie zu speichern.
