Grön energirevolution: Industriellt avfall driver nästa generations batterier

Medvetenheten om miljöfrågor bland både unga och vuxna ökar världen över. När vi står inför hotet från klimatförändringarna och deras skadliga effekt på vår planet, blir en växande del av befolkningen bekymrad över hur deras handlingar påverkar miljön och deltar i rörelser som fokuserar på att rädda jorden.

PwC:s Global Consumer Insights Pulse Survey från 2021 visade att hälften av de tillfrågade konsumenterna världen över sade att de har blivit mer miljövänliga, medan deras undersökning från 2023 visar att åtta av tio konsumenter är villiga att betala upp till 5 % mer för hållbart producerade varor.

Jämfört med resultaten från 2019‑undersökningen, där 35 % av svarande sade att de valde hållbara produkter, 37 % sade att de letade efter miljövänlig förpackning och 41 % sade att de undvek plast när de kunde, visade resultaten från 2021‑undersökningen svarssiffror som var tio till 20 procentenheter högre på samma frågor. 

En hållbar livsstil blir allt viktigare för konsumenter över hela världen, som också vill att företag och varumärken blir mer hållbara och miljövänliga.

Denna förändring i beteende är positiv, med tanke på att cirka 2 miljarder ton industriavfall produceras årligen globalt. Industriavfall står inte bara för ungefär hälften av allt avfall, utan endast omkring 2 % av det återvinns faktiskt.

Den främsta orsaken till industriavfall är biprodukter från en rad olika processer, inklusive metallbearbetning, kemisk tillverkning, livsmedelsbearbetning, läkemedelstillverkning samt olje- och gasutvinning. Felaktiga metoder för avfallshantering kan dessutom generera ännu mer industriavfall som påverkar miljön negativt. 

Men med den ökande medvetenheten bland konsumenterna, tillsammans med fler länder som fokuserar på effektiv avfallshantering och den snabbt växande efterfrågan på lösningar för industriavfallshantering, förväntas den globala marknaden för industriavfallshantering växa till $1,79 miljarder år 2032. Framväxten av ny teknik och de typer av avfall som genereras blir alltmer komplexa, vilket också bidrar till denna tillväxt. 

I USA förväntas marknaden för industriavfallshantering växa ännu mer, och den beräknas nå ett uppskattat värde på 323,81 miljarder dollar under denna period.

Förutom avfallshantering utforskar forskare och företag även andra sätt att hantera avfall, såsom upcycling, produktomdesign, biologiskt nedbrytbara alternativ, cirkulära ekonomimodeller, mikrobiella lösningar och innovativ återvinningsteknik.

Att omvandla skräp till skatt har varit forskarnas senaste satsning. Vi delade nyligen hur ett forskarlag från Cornell extraherade guld från e‑avfall och sedan använde det som katalysator för att omvandla CO₂ till organiska material.

En ny studie utvecklar nu gröna batterier från industriavfall och erbjuder ett alternativ till batterier som används i våra enheter som telefoner och till och med bilar. 

De batterier som för närvarande används är beroende av metaller som litium och kobolt, vilka båda utvinns genom invasiv och intensiv gruvdrift. 

Den växande antagandet av elfordon, tillsammans med det ökande behovet av e‑bikes, konsumentelektronik, energilagring, verktyg och andra batterikrävande tillämpningar, kräver ett skifte bort från metallbaserade lösningar och underlättar den gröna energiövergången.

Utnyttja industriavfall för energilagring

Med ökat beroende av förnybara och i grunden intermittenta energikällor förespråkar ett team av forskare från Northwestern en ökning av energilagringskapaciteten för att möta vårt nätverkens efterfrågan, och för att göra det har de omvandlat ett organiskt avfall i industriell skala till en effektiv lagringslösning som kan tillhandahålla hållbar energi. 

Fokus för studien var på redoxflödesbatterier (RFB), som är uppladdningsbara batterier som utforskas på grund av deras flexibilitet, skalbarhet och långa cykellivslängd. 

Marknaden för redoxflödesbatterier utgör för närvarande en liten del av batterimarknaden men förväntas växa från under 300 miljoner dollar år 2024 till väl över 1 miljard dollar år 2033. Denna expansion kommer att drivas av en ökad övergång till förnybara energikällor, behovet av pålitliga och storskaliga energilagringslösningar, gynnsamma statliga initiativ och kontinuerliga tekniska framsteg för att förbättra batteriets effektivitet och sänka kostnaderna.

Framsteg inom RFB gör dem till ett praktiskt alternativ för storskalig energilagring, men de uppvisar låg energitäthet. 

Under de senaste åren har framsteg gjorts för att öka stabiliteten hos redoxaktiva organiska molekyler (ROM), vilka ses som lovande kandidater för att konstruera hållbara RFB för storskalig energilagring. De flesta ROM som utvärderas kräver dock en flerstegssyntes, och det finns en begränsad tillgång på utgångsmaterial som hindrar deras tillämpning.

Sedan finns faktumet att anolyt ofta saknar stabilitet. Anolyt används i RFB, där de genomgår elektrokemiska reaktioner som producerar kraft och lagrar energi. Typen av anolyt som används i RFB kan påverka dess kapacitet, reversibilitet och stabilitet.

Så gick forskarna vid Northwestern vidare och använde en industriavfalls‑härledd organisk förening som ROM för icke‑vattenbaserade RFB (NARFB)-tillämpningar. Även om många iterationer av dessa batterier forskas för nätverksskala, markerar denna användning av avfallsorganiskt material den första i sitt slag.

Avfalls­molekylen är triphenylfosfinoxid (TPPO), en välkänd industriavfalls‑biprodukt på tusentals ton, som genereras varje år genom olika organiska industriella syntesprocesser. Den kemiska biprodukten är kemiskt stabil och har begränsade tillämpningar, vilket gör den oanvänd och kräver noggrann avfallshantering.

Den outnyttjade biprodukten, som saknar värde, tolereras endast på grund av den imponerande reaktiviteten hos dess föregångare, triphenylfosfin (TPP). 

Med stöd från Northwestern, DOE:s Office of Basic Energy Sciences och National Science Foundation Graduate Research Fellowship kunde forskarna dock omvandla detta avfall till en värdefull produkt genom en ”one‑pot”-reaktion. Den resulterande lösningen visar stark potential som ett sätt att lagra energi och banar väg för genomförbara avfalls‑härledda organiska redoxflödesbatterier.

Vår upptäckt visar potentialen i att omvandla avfallsföreningar till värdefulla resurser, vilket erbjuder en hållbar väg för innovation inom batteriteknik.

– Huvudförfattare Christian Malapit, en kemist vid Northwestern och lektor i kemiska institutionen vid Weinberg College of Arts and Sciences

Han påpekade hur ingenjörer och materialforskare dominerar batteriforskning, men som deras forskning visar kan syntetiska kemister också ”bidra till fältet genom att molekylärt designa en organisk avfallsprodukt till en energilagrande molekyl.”

Inte lika populära som traditionella litium- eller fast‑tillståndsbatterier, som lagrar stora mängder energi i flytande respektive fasta elektroder, använder redoxflödesbatterier en kemisk reaktion som möjliggör energiflöde mellan elektrolyter för att lagra energi.

Den senaste upptäckten gör RFB mycket fördelaktiga eftersom de använder en organisk molekyl och kan uppnå hög stabilitet samt hög energitäthet, vilket närmar sig metallbaserade konkurrenter. 

Dessa två specifika parametrar, enligt förstförfattaren Emily Mahoney, som är doktorand i Malapit‑labbet, har traditionellt varit “svåra att optimera samtidigt”, men nu när de har demonstrerats för en avfallsdriven molekyl är det helt enkelt “spännande”.

Att uppnå både energitäthet och stabilitet kräver dock en metod som tillåter elektroner att packas tätt utan att förlora lagringskapacitet över tid. Forskarteamet fann sin strategi i en artikel från ett halvt sekel sedan som beskrev elektrokemin hos fosfinoxider, en funktionell grupp i organisk kemi.

Studien var faktiskt det ”första fallet” där fosfinoxider användes som den redoxaktiva komponenten i batteriforskning.

Reducerade fosfinoxider har traditionellt varit mycket instabila, men den molekylära ingenjörsmetoden i den senaste studien adresserade den instabiliteten, vilket därmed ”banade vägen för deras tillämpning i energilagring.”

För att nu bedöma molekylens prestanda utförde forskarna tester med statiska elektrokemiska laddnings‑ och urladdningsexperiment. Efter att ha genomgått 350 cykler av batteriladdning, användning och återladdning fann teamet att batteriet behöll sin anmärkningsvärda hälsa och endast förlorade obetydlig kapacitet över tid.

Att uppleva ingen kapacitetsförlust under 350 cykler, slutsatsen i studien, placerar ”denna molekyl i framkant av fältet, tack vare inte bara dess imponerande prestanda utan också dess resursmässiga hållbarhet.”

När det gäller redoxflödesbatterier, förutom användningen av industriellt kemiskt avfall triphenylfosfinoxid för energilagring, bidrar även annan forskning, från innovativ membrandesign, användning av DMQA som elektrolytmaterial, och justering av Hirshfeld-laddning på TEMPO‑katolyt är också bidragande till RFB:s framsteg.

Andra industrins avfall driver batteriteknik 

Även om det är ett viktigt genombrott, är denna studie inte ensam om att utnyttja ett vanligt industriellt icke‑återvunnet avfall till en användbar produkt; under årens lopp har flera studier använt avfall för att förbättra batteriteknik.

Detta inkluderar användning av stålslag, som är en biprodukt från stålproduktion och har utforskats för material för energilagring. I en studie skapade forskarna gröna strukturella superkondensatorceller (SSC) med stålslagspulver (SSP) och glaspulver (GP) som uppvisade god multifunktionalitet i styrka och arealkapacitans. 

I ännu en studie undersökte forskarna den termiska prestandan hos stålslag och fann att den är ett lämpligt material för värmelagring. Na2CO3‑aktivering gjorde det möjligt att öka materialets värmelagringskapacitet med över 25 % och värmeledningsförmåga med över 32 %.

Användningen av stålindustrins största avfallsbiprodukt är inte begränsad till forskning. Även världens näst största stålproducent, ArcelorMittal (ARRD.DE ) (MT ), testade biprodukten som termisk energilagring inom stålproduktionsprocessen för att minska användningen av fossila bränslen för värme. Företaget använder Linz‑Donawitz (LD)‑slag för att tillverka omkring 30 nya produkter, som används för att bygga vägar och stängselstolpar, som råmaterial för cement och för avloppsfiltrering.

Stålslag, kolaska och gruvavfall, bland andra material, utnyttjas för hållbar kollagring. CO₂‑lagringspotentialen för industriella biprodukter uppskattas ligga mellan 2,9 och 8,5 miljarder ton per år till 2100, beroende på produktionen av industriavfall.

Flygaska är ett annat material som är en biprodukt från kolkraftverk och undersöks för batterianoder. Forskare från Saudiarabien använde flygaskkol som anodmaterial för alkaliska metall‑jonbatterier, vilket visade relativt hög kapacitet och utmärkt cykelstabilitet. I en separat studie insåg forskarna det höga tillsatsvärdet av biprodukten genom att omvandla den till nanostrukturerade kiselpulver och använda dem som aktivt anodmaterial för litium‑jonbatterier, vilket uppvisade god elektrokemisk prestanda.

Oanvänd biomassa och avfallsmaterial som genereras under energiproduktion kan också effektivt utnyttjas för att skapa kolmaterial för energilagringsenheter som batterier, solceller och superkondensatorer. Förutom att använda avfallet tar det bort svårigheterna kring säker återvinning av avfallsingredienser och förbrukning av fossila bränslen. 

Kol som härstammar från biomassa bildas genom att omvandla växt- och djuravfall till porösa kolmaterial via artificiella processer. De resulterande strukturerna, med relativt hög ledningsförmåga, yta och porositet, gör dem utmärkta kandidater för energilagringsapplikationer, särskilt superkondensatorer.

Med kolmaterial som används i stor utsträckning i superkondensatorer som elektroder på grund av hög porositet och specifik yta, utmärker sig biomassatkol ytterligare för sin breda källa, låga kostnad, höga effekt­densitet, förlängda livslängd och mindre förorening.

Forskare använder till och med plastavfall för att tillverka högpresterande batterianoder för nästa generations batterier. Ett team av forskare från Singapore utvecklade en metod som innebär att bryta ner kemiskt bundna molekyler till kortare för att tillverka polymerelektrolyter från avfalls‑polyetentereftalat (PET)‑plastflaskor.

Sedan finns återvinning av gamla litium‑jonbatterier, vilket möjliggör återvinning av kobolt, litium och nickel och deras återanvändning i nya energilagringssystem. 

Den stora majoriteten av världens litium (Li)‑tillgång förekommer naturligt som en primärprodukt i saltlake och hårda bergarter och finns huvudsakligen i Australien, Kina och Latinamerika. Koboltförsörjningen, däremot (mindre än 10 % förekommer som primärprodukt och resten produceras som biprodukt från koppar‑ och nickelfyndigheter), domineras av Demokratiska republiken Kongo (DRC), som står för 65 % av den globala produktionen.

Så minskar återvinning av komponenterna i gamla batterier inte bara avfallet utan även behovet av nya råmaterial, som trots sin rikliga tillgång möter problem med resursintensiv gruvdrift och begränsad geografisk spridning.

Relevanta börsnoterade företag 

Låt oss nu titta på de företag som gör framsteg inom relaterade industrier. 

1. Fluence Energy, Inc.

En global leverantör av energilagringslösningar, Fluence strävar efter att driva den rena energiövergången genom Gridstack Pro, Gridstack, Sunstack, Edgestack och Ultrastack. Det finns även Fluence IQ Platform, som levererar AI‑tjänster för att hantera och optimera förnybar energi och lagring.

Fluence Energys aktier, med ett börsvärde på 3 miljarder dollar vid skrivande stund, handlas till 16,56 $ och är upp 4,28 % år‑till‑datum. Den har ett EPS (TTM) på -0,08 och ett P/E (TTM) på -219,92. För kvartalet som avslutades den 30 september rapporterade företaget en omsättning på 1,3 miljard $ och en positiv nettoinkomst på 67,7 miljon $ för första gången. Den kvartalsvisa ordervolymen var 1,2 miljard $, medan backloggen ökade till cirka 4,5 miljard $. Dess kassasaldo uppgick samtidigt till 518,7 miljon $.

Den ”högsta någonsin omsättningen och lönsamheten,” noterade VD Julian Nebreda som ett ”betydande milstolpe i företagets tillväxtbana.” Framåt ser Nebreda en ”oöverträffad efterfrågan på batteri‑energihållningslösningar över hela världen, främst drivet av den amerikanska marknaden.”

2. Waste Management

Fokuserat på industriell avfallsåtervinning erbjuder Waste Management (WM ) miljölösningar som inkluderar insamling, återvinning och avfallshantering för hushålls-, kommersiella och kommunala kunder.

Waste Managements aktier, med ett börsvärde på 83,29 miljarder dollar vid skrivande stund, handlas till 207,53 $ och är upp 2,84 % år‑till‑datum. Den har ett EPS (TTM) på 6,54 och ett P/E (TTM) på 31,71, medan utdelningsavkastningen är 1,45 %.

För Q3 2024 rapporterade företaget en ökning på 7,9 % i sin omsättning tack vare stark genomförande av prissättning, högre marknadspriser för de återvinningsbara råvaror de säljer och en betydande ökning av deponi‑volymer. Waste Management har nu slutfört åtta återvinningsprojekt under kvartalet, och mer än hälften av deras planerade automatisering och nya projekt har bidragit med 1,5 miljon ton årlig återvinningskapacitet i Nordamerika.

Våra starka resultat har lettes av vår insamlings‑ och avfallsverksamhet där våra fokuserade insatser på frontlinjepersonal, optimering av vår kostnadsstruktur och leverans av differentierade tjänster till våra kunder har drivit vinsttillväxt.

– VD Jim Fish

Slutsats

Industriavfall ökar ständigt på grund av växande befolkning och teknologisk utveckling, och om det inte hanteras korrekt kan det leda till dödliga konsekvenser. Förutom luft- och vattenföroreningar leder detta avfall till jordförsämring, global uppvärmning och skada på vårt ekosystem. Eftersom endast en liten del av detta avfall återvinns, är de senaste upptäckterna som omvandlar industriavfall till en energilagringsagent extremt fördelaktiga för miljön och banar vägen mot en hållbar och hälsosammare framtid.

Klicka här för en lista över de bästa batteriaktierna.