‘Honingraat’-membraan maakt redox-flowbatterij een stuk efficiënter

2 maart 2021

De poriën-grootte is makkelijk aan te passen aan de gewenste toepassing.

Foto: Bart van Overbeeke

Voor grootschalige energieopslag is een nog vrij onbekend type batterij – de redox-flowbatterij– erg veelbelovend. Een team onderzoekers van de TU Eindhoven, DIFFER en MIT ontwikkelde een compleet nieuwe electrode met honingraat-poriën om de elektrochemische reactie in deze batterij te verbeteren. Het materiaal maakt de batterij efficiënter en breder inzetbaar voor verschillende toepassingen. Bovendien is het nieuwe membraan makkelijker en goedkoper te produceren en geschikt voor grootschalige productie. De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in het journal Advanced Materials.

Energieopslag vormt één van de grootste hordes van de energietransitie. Hernieuwbare bronnen zoals zonne- en windenergie zijn niet altijd beschikbaar op het moment dat je ze nodig hebt. Deze vormen van energie zijn niet voorspelbaar, laat staan ‘afstembaar’. En ons energiesysteem is zo ontworpen dat de opgewekte energie onmiddellijk moet worden gebruikt. Batterijen moeten uitkomst bieden; ze slaan energie-overschotten chemisch op zodat er altijd voldoende stroom voorhanden is.

Batterijen werken op redoxreacties; moleculen die elektronen uitwisselen. De reductor verliest een elektron waarna de oxidator een elektron absorbeert. In het geval van een batterij zijn ze gescheiden van elkaar, en creëert het resulterende ladingsverschil een stroom van elektronen: elektriciteit. Een batterij bestaat ruwweg uit vier delen: elektroden aan beide zijden die de redoxreactie op gang brengen, een elektrolyt met reductor en oxidator (de positieve en negatieve polen) waarin de reactie plaatsvindt, een membraan om de twee elektrolyten gescheiden te houden en een extern elektrisch circuit.

Een redox-flowbatterij gekoppeld aan het elektriciteitsnetwerk. Zo kan de overtollig opgewekte energie worden opgeslagen tot het nodig is. Afbeelding: Rodrigo Ortiz de la Morena.

Flow batterij: goedkoop, schaalbaar én veilig

Lithium-ion batterijen zijn vooralsnog het meest bekende type batterij. Ze zitten in je mobiel, laptop en in elektrische auto’s. Ze zijn vooral handig voor thuisgebruik en in de transportsector: klein, lichtgewicht en met een grote energiedichtheid. Grote nadelen: ze zijn vrij duur, licht ontvlambaar, gebruiken zeldzame materialen, zijn niet makkelijk schaalbaar en ze raken na verloop van tijd uitgeput.

Voor opslag op grote schaal, in de orde van honderden megawatts, is dit type batterij daarom niet geschikt. De grootte en het gewicht van de batterij spelen bij dit soort bulkopslag namelijk geen rol. De bepalende factoren zijn prijs, schaalbaarheid en veiligheid. En juist die komen samen in een ander type batterij, de zogenoemde redox-flowbatterij.

NASA ontwikkelde de redox-flowbatterij ruim 50 jaar geleden. Tot nu toe heeft de doorontwikkeling ervan stilgestaan omdat lithium-ion batterijen bruikbaarder waren voor de huidige toepassingen. Maar nu hele steden staan te springen om opslagcapaciteit, staat de redox-flow batterij ineens wél in de belangstelling.

Vermogen en capaciteit onafhankelijk van elkaar

De redox-flow batterij ontleent zijn naam aan de vloeibare elektrolytoplossing die langs de reactiekamer stroomt en in aparte tanks is opgeslagen. De ene tank bevat een negatief geladen oplossing en in de andere tank zit de positief geladen oplossing.

De redox-flowbatterij bestaat uit twee tanks met vloeibare elektrolyt, de ene negatief geladen en de andere positief geladen. Deze oplossingen worden naar de reactor gepompt, waar de vloeistoffen door een membraan gescheiden worden gehouden. Elektrochemische reacties vinden plaats op het grensvlak tussen de elektrode en de elektrolyt. De stroom elektronen wordt opgevangen via een extern circuit in de ontladingsmodus. Wanneer de batterij wordt opgeladen, vinden de omgekeerde omkeerbare reacties plaats. Afbeelding: Colintheone, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

In tegenstelling tot de lithium-ion variant, kunnen redox-flowbatterijen hun capaciteit (kWh) verhogen zónder het vermogen (kW) te verhogen, en omgekeerd. Door een grotere tank met elektrolytoplossing aan het systeem te koppelen, kun je zo heel simpel je capaciteit enorm uitbreiden.

Redox-flowbatterijen worden kostenconcurrerend als je ze heel lang kunt ontladen. Bovendien zijn redox-flow batterijen veel veiliger dan lithium-ion batterijen omdat de componenten vloeibaar en niet ontvlambaar zijn. Redox-flowbatterijen hebben ook een langere levensduur door het ontbreken van de intercalatiereacties die een negatieve invloed hebben op de stabiliteit.

Hoewel redox-flow-batterijen veelbelovend zijn, de huidige kosten zijn nog te hoog om op grote schaal te worden toegepast. Er is daarom nog een hoop winst te behalen door de kosten omlaag te brengen en de efficiëntie en productie te verbeteren. Onderzoekers van de TU/e en DIFFER hebben samen met MIT-wetenschappers gewerkt aan het ontwerp van nieuwe elektrode om de efficiëntie van dit type batterij te verhogen.

Wederzijdse uitsluiting?

Hoe sneller de elektronen stromen, hoe meer elektriciteit de batterij genereert. De elektrode van een redox-flowbatterij heeft daarom een poreuze structuur. Hoofdonderzoeker Antoni Forner-Cuenca van de TU/e: "Hoe groter de poriën, hoe makkelijker het elektrolyt er doorheen kan stromen en hoe lager het drukverlies. Maar als de poriën te groot zijn, doen we afstand van het grote oppervlak. Idealiter wil je dus een hoge stroomsnelheid én een groot reactieoppervlak.”

Op dit moment gebruiken redox-flowbatterijen conventionele koolstofvezelelektroden. Deze zijn ontworpen voor lage temperatuur brandstofcellen. Maar deze elektroden zijn complex en duur om te produceren, en het productieproces maakt het moeilijk om de driedimensionale structuur van de poriën aan te passen aan de gewenste toepassing.

Membraanwetenschap biedt de oplossing

Forner-Cuenca: "We moesten terug naar de tekentafel om een beter presterende elektrode te ontwikkelen. Het ontwerp en de keuze van de materialen is daarbij volledig heroverwogen en verbeterd. Geïnspireerd door de membraanwetenschap en -technologie hebben we polymeerfasescheiding gebruikt om de elektrodestructuur te kunnen controleren.”

“We beginnen daarbij met een vloeibare oplossing en twee polymeren. Door het materiaal onder te dompelen in water, krijg je een poreuze structuur. Eén van de polymeren lost namelijk op. Door te spelen met de samenstelling, het oplosmiddel, de temperatuur en andere parameters kunnen we de poreuze structuur van de elektrode zo nauwkeurig regelen. Het waren deze inzichten die de basis vormden voor ons nieuwe ontwerp," licht Forner-Cuenca toe.

Na talloze computersimulaties én experimenteel werk wisten de onderzoekers een materiaal te ontwikkelen waarbij de poriegrootte en -vorm in de elektrode gemakkelijk kunnen worden aangepast, door de hoeveelheden oplosmiddel en polymeren te variëren. Forner-Cuenca: "Het fabricageproces van ons nieuwe materiaal is veel eenvoudiger en goedkoper, biedt een grotere veelzijdigheid en is gemakkelijker op te schalen dan bij conventionele elektrodenproductie. Het toont aan dat het wel degelijk mogelijk is om een elektrode te maken met zowel een gunstig bulk-elektronentransport als een groot reactieoppervlak."

Honingraatstructuur verhoogt efficiëntie

Eén van de ontwikkelde structuren bleek een schot in de roos: het ‘honingraat’-elektrode met een zeer veelbelovende combinatie aan grote en kleine poriën. Dat maakt deze structuur geschikt voor grootschalige energieopslag. De grote poriën garanderen de hoge stroomsnelheid, als ware het een snelweg, En de kleine poriën daartussen zorgen voor voldoende reactieoppervlak, de N-wegen.

Forner-Cuenca: "Het experimentele werk is uitgevoerd door promovendi Charles Tai-Chieh Wan van het MIT en Remy Jacquemond van de TU/e en DIFFER. Zij zijn er beiden afzonderlijk in geslaagd het proces te herhalen in de laboratoria van TU/e en MIT en hebben daarmee de reproduceerbaarheid van het materiaal bewezen. Op dit moment werken we aan het optimaliseren van de duurzaamheid en het opschalen van het proces. Deze eerste resultaten zijn veelbelovend en we zijn enthousiast om andere toepassingen voor onze elektroden te verkennen."

Dit onderzoek is op 2 maart gepubliceerd in het journal Advanced Materials onder de titel: Nonsolvent-Induced Phase Separation Enables Designer Redox Flow Battery Electrodes. DOI: 10.1002/adma.202006716

Mediacontact

Hilde van Genugten - de Laat
(Science Information Officer)

Het laatste nieuws

Blijf ons volgen