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 dess skadliga påverkan 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 2021 visade att hälften av de tillfrågade konsumenterna världen över sade att de blivit mer miljövänliga, medan deras undersökning 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 en tio till 20 procentenheter högre andel svar 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 omkring 2 miljarder ton industriellt avfall produceras årligen globalt. Industriellt avfall står inte bara för ungefär hälften av allt avfall, utan endast omkring 2 % av det återvinns faktiskt.

Den främsta orsaken till industriellt avfall är biprodukter från ett brett spektrum av processer, inklusive metallbearbetning, kemisk tillverkning, livsmedelsbearbetning, läkemedelstillverkning samt olje‑ och gasutvinning. Felaktiga hanteringsmetoder kan dessutom generera ännu mer industriellt avfall som påverkar miljön negativt.

Men med den ökande medvetenheten bland konsumenter, samt fler länder som fokuserar på effektiv avfallshantering och den snabbt växande efterfrågan på lösningar för industriell avfallshantering, förväntas den globala marknaden för industriell avfallshantering växa till $1.79 billion by 2032. Framväxten av ny teknik och de typer av avfall som genereras blir allt mer komplexa, vilket också bidrar till denna tillväxt.

I USA förväntas marknaden för industriell avfallshantering förväntas växa ännu mer, och den är prognostiseras att nå ett uppskattat värde på $323.81 billion under denna period.

Förutom avfallshantering undersöker forskare och företag även andra sätt att hantera avfall, såsom upcycling, produktomdesign, biologiskt nedbrytbara alternativ, cirkulära ekonomimodeller, mikrobiella lösningar och innovativa återvinningstekniker.

Att förvandla skräp till skatt har varit det senaste projektet för forskare. Vi delade nyligen hur ett Cornell‑forskarteam 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 av industriellt avfall 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 utvinns genom invasiv och intensiv gruvdrift.

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

Utnyttja industriellt avfall för att lagra energi

När förlitandet på förnybara och i grunden intermittenta energikällor ökar, förespråkar ett team av forskare från Northwestern en ökning av energilagringskapaciteten för att möta vårt nätbehov, och för det har de omvandlat ett industriellt organiskt avfall till en effektiv lagringslösning som kan leverera hållbar energi.

Fokus för studien var på redoxflödesbatterier (RFB), som är uppladdningsbara batterier som undersöks 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 million 2024 till väl över $1 billion 2033. Denna expansion kommer att drivas av en ökad övergång till förnybara energikällor, behovet av pålitliga och storskaliga energilagringslösningar, gynnsamma statliga initiativ samt 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 har 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 anolyter ofta saknar stabilitet. Anolyter används i RFB, där de genomgår elektrokemiska reaktioner som producerar kraft och lagrar energi. Typen av anolyter som används i RFB kan påverka dess kapacitet, reversibilitet och stabilitet.

Så använde forskare från Northwestern en industriellt avfallsavledd organisk förening som ROM för icke‑vattenbaserade RFB (NARFB)-tillämpningar. Medan många iterationer av dessa batterier forskas för storskaliga nätapplikationer, markerar denna användning av avfallsorganiskt material den första i sitt slag.

Avfalls‑molekylen är triphenylfosfinoxid (TPPO), en välkänd industriell avfallsbiprodukt på tusentals ton, som genereras varje år genom olika organiska industriella syntesprocesser. Den kemiska biprodukten, som är kemiskt stabil och har begränsade tillämpningar, lämnas oanvänd och måste avfallsdisponeras på ett noggrant sätt.

Den outnyttjade biprodukten, som saknar värde, tolereras endast på grund av de imponerande reaktivitetsegenskaperna 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 avfallsbaserade organiska redoxflödesbatterier.

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

– Huvudförfattare Christian Malapit, en kemist vid Northwestern och assisterande professor i kemidepartementet 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 fastställda batterier, som lagrar stora mängder energi i respektive flytande eller fasta elektroder, använder redoxflödesbatterier en kemisk reaktion som underlättar energins flöde 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 låter elektroner packas tätt utan att förlora lagringskapacitet över tid. Forskarteamet fann sin strategi i en artikel från ett halvt århundrade sedan som beskrev elektrokemin hos fosfinoxider, en funktionell grupp inom 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 åtgärdade den instabiliteten, vilket därför ”banar vägen för deras tillämpning i energilagring.”

För att utvärdera molekylens prestanda utförde forskarna sedan 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 bara förlorade en försumbar kapacitet över tid.

Att uppleva ingen kapacitetsförlust under 350 cykler, slutsatsen av 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 som sträcker sig från innovativ membrandesign, användning av DMQA som elektrolytmaterial, och justering av Hirshfeld‑laddning på TEMPO‑katolyt till framsteg inom RFB.

Andra industris 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 åren har flera studier använt avfall för att förbättra batteriteknik.

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

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

Användningen av stålindustrins största avfallsbiprodukt är dock inte begränsad till forskning. Till och med världens näst största stålproducent, ArcelorMittal (ARRD.DE ) (MT ), testade biprodukten som termisk energilagring inom stålframställningsprocessen för att minska användningen av fossila bränslen för värme. Företaget använder Linz‑Donawitz (LD)‑slag för att tillverka cirka 30 nya produkter, vilka används för att bygga vägar och staketstolpar, 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 industriellt avfall.

Fly Ash är ett annat material som är biprodukt från kolkraftverk och undersöks för batterianoder. Forskare från Saudiarabien använde flygaska‑kol som anodmaterial för alkaliska metalljonbatterier, vilket visade relativt höga kapaciteter 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 aktiva anodmaterial för litiumjonbatterier, vilka uppvisade god elektrokemisk prestanda.

Oanvänd biomassa och avfallsmaterial som genereras under energiproduktion kan också utnyttjas effektivt för att skapa kolmaterial för energilagringsenheter som batterier, solceller och superkondensatorer. Förutom att använda avfallet eliminerar det svårigheterna kring säker återvinning av avfallsingredienser och konsumtionen 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 till 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 generation batterier. Ett team av singaporianska forskare utvecklade en metod som innebär att bryta ner kemiskt länkade molekyler till kortare för att tillverka polymerelektrolyter från avfalls‑PET‑flaskor (polyetylentereftalat).

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

Den stora majoriteten av världens litium (Li)‑tillgång finns i naturen som primärprodukt i saltlake och hårda bergarter och finns huvudsakligen i Australien, Kina och Latinamerika. Koboltstillgången, under tiden (mindre än 10 % av den förekommer som primärprodukt och resten produceras som biprodukt av koppar‑ och nickelminaler), 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, vilket, trots att det är rikligt i tillgång, möter problemet med resursintensiv gruvdrift och begränsad geografisk fördelning.

Relevanta publika 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 också Fluence IQ Platform, som levererar AI‑tjänster för att hantera och optimera förnybar energi och lagring.

Fluence Energy, med ett börsvärde på 3 billion dollar, handlas vid $16.56, upp 4.28 % YTD. Företaget 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 bln och en positiv nettoinkomst på $67.7 miljoner för första gången. Orderintaget för kvartalet var $1.2 biljoner, medan backloggen ökade till cirka $4.5 biljoner. Dess kassasaldo uppgick samtidigt till $518.7 miljoner.

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

2. Waste Management

Fokuserat på industriell avfallshantering erbjuder Waste Management miljölösningar som inkluderar insamling, återvinning och avfallshantering för hushåll, företag och kommunala kunder.

Waste Management, med ett börsvärde på 83.29 billion dollar, handlas vid $207.53, upp 2.84 % YTD. Företaget 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 med 7.9 % i omsättningen tack vare stark prisgenomförande, högre marknadspriser för de återvinningsbara råvarorna 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 miljoner ton årlig återvinningskapacitet över hela Nordamerika.

“Våra starka resultat har lett av vår Insamlings‑ och Avfallshanteringsverksamhet där våra fokuserade insatser på frontlinjepersonal, optimering av vår kostnadsstruktur och leverans av differentierad service till våra kunder har drivit vinsttillväxt.”

– VD Jim Fish

Slutsats

Industriellt avfall växer ständigt på grund av den ökande befolkningen och teknologiska framsteg, och om det inte hanteras korrekt kan det få dödliga konsekvenser. Förutom luft‑ och vattenföroreningar leder detta avfall till markförsämring, global uppvärmning och skador på vårt ekosystem. Eftersom endast en liten del av detta avfall återvinns är de senaste upptäckterna som omvandlar industriellt avfall till ett energilagringsmedel extremt fördelaktiga för miljön och banar vägen mot en hållbar och hälsosammare framtid.

Klicka här för en lista över de bästa batteriaktierna.