Koolstofelektroden specifiek gemaakt voor redox flow batterijen
Samen werken TU/e en Schunk Group sinds kort aan het opschalen van het productieproces van nieuwe koolstofelektroden. Tegelijkertijd onderzoeken zij hoe deze elektroden op de markt gebracht kunnen worden.
Redox flow batterijen (RFB's) zijn stationaire batterijen op industriële schaal die gebruikt worden om overtollige elektrische energie op te slaan afkomstig van duurzame energiebronnen, zoals zonne- of windenergie. Opgeslagen energie bechikbaar hebben als het donker of windstil is, zal de transitie naar duurzame energie versnellen. Een wetenschappelijke publicatie over de non-solvent induced phase separation (NIPS) elektroden die werden ontwikkeld door Antoni Forner-Cuenca en zijn collega's trok de aandacht van Schunk Group, een industriële leverancier van onder andere koolstofcomponenten. Een bezoek aan de TU/e begin oktober was de start van de samenwerking om deze NIPS-elektroden te onderzoeken en op te schalen naar commerciële schaal.
Het is niet ongebruikelijk dat onderzoeksgroepen aan de TU/e samenwerken met de industrie om technieken te ontwikkelen en kennis te delen. Wat de samenwerking tussen de Schunk Group en Antoni Forner-Cuenca's Electrochemical Materials and Systems Laboratory onderscheidt, is niet alleen door de manier waarop zij de verantwoordelijkheden delen zonder afbreuk te doen aan de wetenschappelijke onafhankelijkheid van de universiteit. Het is het feit dat het bedrijf genoeg in deze nieuwe technologie gelooft om het hele project te financieren, dus inclusief de promotieplaats voor het fundamentele onderzoek aan de TU/e. Dit versnelt het onderzoek en de ontwikkeling aanzienlijk in vergelijking met de meer gebruikelijke route van het aanvragen en ontvangen van publieke gelden voor het onderzoek.
Dat optimisme lijkt volkomen gerechtvaardigd met het oog op de technologie waaraan beide partijen gaan samenwerken - een nieuw elektrodemateriaal op basis van koolstof voor redox flow batterijen (RFB). Dit nieuwe materiaal maakt kleinere stacks (assemblage van seriële cellen) mogelijk en lagere kosten per kW in de batterij. De NIPS-elektroden zijn ontwikkeld in een internationale samenwerking tussen de TU/e en het MIT, zoals is gepubliceerd in Advanced Materials and Cell Reports Physical Science. Promovendi Rémy Jacquemond (begeleid door Antoni Forner-Cuenca en Kitty Nijmeijer) en Charles Wan (begeleid door Fikile Brushett en Yet Ming Chiang) waren de leidende onderzoekers in dit werk.
Grootschalige energieopslag
Een van de uitdagingen van de energietransitie is de opslag van teveel opgewekte (groene) elektriciteit. Naast vele nieuwe oplossingen die worden ontwikkeld, bestaan de redox flow batterijen al lang. Deze worden gezien als een veelbelovende oplossing om de energietransitie te versnellen. Ze zijn het meest geschikt voor energieopslag op industriële schaal omdat ze vrij groot zijn en ongeschikt om te verplaatsen terwijl ze gebruikt worden, hoewel ze in conventionele zeecontainers passen.
Het beschikbare vermogen en capaciteit in de modules is tegenwoordig al gestegen naar megawatts (MW) en meerdere megawatturen (MWhs). Binnen deze batterijen bestaat elke elektrochemische stack uit een reeks individuele cellen. Elke cel bestaat uit twee platen koolstofmateriaal die als elektroden fungeren. Een batterij van 1 MW bevat dus waarschijnlijk tienduizend elektroden of meer. Verwacht wordt dat de vraag naar meer energieopslag binnenkort zelfs zal stijgen naar gigawatts per batterij en dat de afmetingen van de batterijen in verhouding zullen toenemen.
Aangezien de vraag naar batterijoplossingen van industriële omvang alleen maar zal toenemen, is het absoluut noodzakelijk om de kosten en prestaties ervan te verbeteren. Zeker wanneer er wordt gezocht naar manieren om de energietransitie te versnellen voor grootschalige toepassingen. Momenteel worden er verschillende chemische flowbatterijen ontwikkeld met een breed scala aan opties op het gebied van ontwerp en gebruikte materialen. Alleen de tijd zal leren welke ontwerpen uiteindelijk de meest betrouwbare, kosteneffectieve en duurzame oplossingen zullen zijn.
Foto: iStock / Petmal
Inspirerend materiaal
“Het is een inspirerende technologie om aan te werken. Fundamenteel onderzoek naar redox flow batterijen hielp ons om een idee te vormen van hoe een ideale elektrode eruit zou zien. We zijn blij dat de huidige geprepareerde NIPS-materialen veelbelovende prestaties hebben laten zien in flowbatterijen,” legt Forner-Cuenca uit. “Naast onze passie voor fundamenteel onderzoek zorgen we graag voor een meer tastbare impact op de maatschappij en staan we te popelen om de resultaten van ons onderzoek echt op de markt te zien verschijnen.”
“We waren geïntrigeerd en verbaasd door de potentie om met de NIPS-elektroden een verdubbeling van de vermogensdichtheid te creëren, in vergelijking met de beste commerciële elektroden die momenteel verkrijgbaar zijn,” voegt Hartmut Gross, directeur New Business and Technology bij Schunk Group, toe. “NIPS-elektroden op de markt brengen betekent echter een schaalvergroting van twee orden van grootte tot een oppervlakte van wel 900 cm² - er moet dus ook nog wetenschappelijk onderzoek worden gedaan, vooral om de scheikundige principes over te nemen terwijl het proces in industriële apparatuur wordt geïmplementeerd. Daarom hebben we elkaar nodig en profiteren we van elkaar.”
NIPS-elektroden
De elektroden voor flowbatterijen die nu in de handel zijn, zijn al gemaakt van koolstofvezels. Deze materialen zijn echter niet perfect afgestemd op de vereisten in de flowbatterijen. Belangrijker is de uitdaging om ruime banen voor de vloeistofstromen mogelijk te maken in combinatie met een groot oppervlak voor de reacties en een hoge elektrische geleidbaarheid.
De NIPS-elektroden hebben daarentegen een unieke driedimensionale structuur die moeilijk te bereiken is met de bestaande fabricagemethoden. NIPS-elektroden kunnen worden gemaakt als sponzen of honingraatachtige structuren, wat zeer goede prestaties levert in flowbatterijen.
“De nauwkeurige controle over de morfologie is het belangrijkste voordeel van deze productiemethode, omdat we de elektrodestructuur kunnen aanpassen aan specifieke toepassingen. Dit is dus een flexibel synthetisch platform. Bovendien hebben de NIPS-elektroden het potentieel om op termijn goedkoper te worden bij schaalvergroting,” aldus Forner-Cuenca.
Afgebeeld is een dwarsdoorsnede van een verkoolde NIPS-elektrode, die gemaakt is vanuit een polymeeroplossing bestaande uit polyacrylonitril (PAN: voorloper van de koolstofstructuur), polyvinylpyrrolidon (PVP: porievormend middel) en dimethylformamide (DMF: oplosmiddel). Dit koolstofmateriaal is het resultaat van 1050 °C carbonisatie van de poreuze PAN-film die gemaakt is met non-solvent induced phase separation. De grote vingerachtige zwarte holtes worden macrovoids genoemd. Deze macrovoids vormen het typische honingraatnetwerk van de NIPS-elektrode.
Foto: Rémy Jacquemond
Co-creatie
Het bleek dat Schunk Group - reeds een toonaangevende leverancier van grafiet bipolaire platen op de markt - zeer geïnteresseerd was in de NIPS-elektroden. Zij geloven dat deze elektroden een rol zullen spelen bij het creëren van de volgende generatie redox flowbatterijen.
Gross verduidelijkt: “Dat is de reden waarom we hebben gekozen voor de aanpak en samenwerking die we nu hebben. De promovenda zal het fundamentele onderzoek uitvoeren aan de universiteit. Tegelijkertijd hebben we een ingenieur voor dit project aangenomen die zich onder meer gaat bezighouden met reproduceerbaarheid, robuustheid, productiemethoden en productieontwerp. Kortom, hij zal zich richten op alle aspecten die van de NIPS-elektroden een levensvatbaar commercieel product maken dat we in massaproductie kunnen nemen. Samen zal dit duo nauw samenwerken en bevindingen, inzichten en inspiratie over en weer delen."
De promovenda Simona Buzzi zal het onderzoek en de eerste stappen van opschaling uitvoeren, terwijl Hendrik Hemmelmann aan Schunk's kant zal bijdragen aan de ontwikkelingen. “Onze partners melden zich inmiddels bij ons voor implementatietests en betrouwbaarheidstests. We vertrouwen erop dat we het in minder dan drie tot vier jaar op industriële schaal kunnen waarmaken. Dan hebben we het vertrouwen dat onze financiering goed besteed is om een technologie te versnellen, die anders pas over minstens tien jaar beschikbaar zou komen,” besluit Gross.
Schunk Group
De Schunk Group is een wereldwijd opererend technologiebedrijf. Het bedrijf is een toonaangevende leverancier van producten van hightech materialen - zoals koolstof, technisch keramiek en gesinterd metaal - en van machines en systemen - van milieusimulatie en airconditioning tot ultrasoon lassen en optische machines. De Schunk Group heeft ongeveer 9.000 werknemers in 27 landen en behaalde in 2021 een omzet van 1,3 miljard euro.
Meer over duurzaamheid
Het laatste nieuws
