Tweet

Het binnenste van Sony's suikerbatterij /reageer

Sony heeft vorige week een milieuvriendelijke batterij gepresenteerd die op suiker loopt en waarop een muziekspeler en een set speakers kunnen draaien. Het is een prototype maar heeft een grote commerciële toekomst.

Suiker als brandstof

Sony ziet batterijen op suiker als een milieuvriendelijk idee wat binnen afzienbare tijd tot nieuwe producten zal leiden. Suiker als energiebron is alom vertegenwoordigd in de vorm van glucose. Planten produceren het via een procedé genaamd fotosynthese. Planten zetten, door middel van zonlicht, koolstofdioxide en water om in glucose. Glucose wordt door de hele plant verdeeld omdat het een bouwstof is voor organische verbindingen (o.a. cellulose) en omdat het de brandstof is van cellen. Wanneer planten ’s nachts in hun cellen glucose verbranden (respiratie) komt water, kooldioxide en chemische energie vrij. De energie wordt gebruikt als brandstof voor de plantencellen. Ook menselijke lichaamscellen lopen op glucose.

Het idee om een batterij op glucose te laten lopen is al bedacht in 1964 door Yahiro, Lee en Kimble. Sindsdien zijn er allerlei onderzoeken naar deze vormen van ‘biofuel cells’, of op zijn Nederlands gezegd: ‘biobrandstofcellen’. Het komt neer op het verbranden (’oxideren’) van een organische brandstof (zoals methaan, biomassa, glucose) door micro-organismen (zoals bacteriën) of enzymen.

Twee elektrodes: een anode en een kathode

De batterij bestaat uit twee elektrodes (een anode en een kathode) en een scheidingsmateriaal ertussen om ze van elkaar te houden. Op het oppervlak van de twee staafjes zitten verschillende soorten enzymen die glucose omzetten naar energie. Er ontstaat een spanningsverschil tussen de anode en de kathode en hierdoor gaat een elektrische stroom van de één naar de ander lopen.

Het was nog moeilijk om de verschillende enzymen en materialen vast te zetten op de elektrodes. Uiteindelijk zijn de elektrode, enzymen en andere materialen als het ware ‘gesandwiched’ tussen twee materialen die elkaar elektrostatisch aantrekken. Hiervoor zijn polymeren gebruikt.

Om het respiratiesysteem zonder plant werkend te krijgen moeten de betreffende enzymen en het elektrisch geleidende materiaal worden vastgezet op de twee elektrodes. Ook moet ervoor gezorgd worden dat de glucose-omzettende enzymen aan de kant van de anode actief blijven. Dit is een probleem omdat enzymen die eenmaal glucose hebben omgezet ophouden met werken. Daarnaast moet de kathode voortdurend genoeg zuurstof hebben om het proces gaande te houden. Hiervoor werd de structuur van de kathode aangepast. Door deze van een speciaal soort poreuze koolstof te maken kan zuurstof nu doordringen tot in de kathode.

Deze drie problemen zijn al langer onderwerp van onderzoek in de wetenschap. Nu zijn ze voor het eerst zodanig opgelost dat ze in een commerciële techniek kunnen worden toegepast.

Het chemisch proces

Op de anode zitten glucose-omzettende enzymen, op de kathode zuurstof-omzettende. De glucose-omzettende enzymen op de anode breken met de hulp van zuurstof de glucose af tot elektronen, waterstofionen en een koolwaterstof genaamd gluconolactone, een soort zetmeel dat kennelijk veel gebruikt wordt in cosmetica.

De waterstofmoleculen stromen naar de kathode, dwars door de afscheiding tussen de elektrodes heen. Deze bestaat daarom uit een geperforeerd membraan. De elektronen stromen ook van de anode naar de kathode toe maar ze kunnen niet door het membraan heen en ze trekken buitenom. Juist dít genereert de elektriciteit.

De kathode wordt voortdurend gevoed met zuurstof en samen met de waterstofionen die door het membraan komen en de elektronen die buitenom trekken wordt hieruit water samengesteld. Dit is het enige afvalproduct van de typische biobrandstofcel en ook van de suikerbatterij van Sony.

Problemen oplossen

De techniek voor een enzymenbatterij op glucose bestaat al wat langer. Eén van de problemen daarbij was de beperkte levensduur van het systeem. De enzymen raakten uitgewerkt in een paar dagen tot een paar weken tijd. Wanneer er meer enzymen op het oppervlak van de elektrodes kunnen worden gezet blijft de batterij langer actief.

Als daarnaast het materiaal van de elektrodes nog verder wordt aangepast zodat de punten van de elektroden optimaal van zuurstof worden voorzien dan verbetert het rendement en de levensduur van de batterij aanmerkelijk. Dit zijn dan ook de punten waar Sony zich op richt voordat de batterij in de winkel verschijnt.