Chinese onderzoekers hebben een zink-luchtbatterij ontwikkeld die dankzij een nieuwe grafeenkatalysator een efficiëntie van 98 procent haalt. De batterij gebruikt zuurstof uit de omgevingslucht en blijft zelfs na 1.500 laadcycli opvallend efficiënt. Kan deze technologie uitgroeien tot een serieus alternatief voor lithium-ionbatterijen?
Wetenschappers van het Fujian Institute of Research on the Structure of Matter, onderdeel van de Chinese Academy of Sciences, hebben een belangrijke stap gezet in de ontwikkeling van oplaadbare zink-luchtbatterijen. Hun experimentele batterij functioneerde meer dan 820 uur stabiel in gewone omgevingslucht. Het onderzoek werd gepubliceerd in Angewandte Chemie International Edition.
Batterij haalt zuurstof uit de lucht
Anders dan lithium-ionbatterijen gebruiken zink-luchtbatterijen zuurstof uit de omgeving als actief bestanddeel. Tijdens het ontladen reageert zuurstof aan de positieve elektrode, terwijl zink aan de negatieve elektrode wordt omgezet. Zo ontstaat elektrische energie. Dat principe biedt voordelen. Omdat zuurstof niet volledig in de batterij hoeft te worden opgeslagen, is een hoge theoretische energiedichtheid mogelijk. Bovendien is zink relatief goedkoop, ruim beschikbaar en minder afhankelijk van kwetsbare grondstofketens.
Toch hebben zink-luchtbatterijen een hardnekkig probleem: opladen kost doorgaans veel energie. De zuurstofreacties verlopen traag en kunnen de elektroden aantasten, waardoor het rendement en de levensduur achteruitgaan.
Grafeen met fluor als oplossing
De Chinese onderzoekers ontwikkelden daarom een bijzondere katalysator, FG-3, bestaande uit grafeen met ongeveer 3,1 atoomprocent fluor. Door het materiaal gecontroleerd te verhitten, verwijderden ze een deel van het fluor en herstelden ze de elektrische geleidbaarheid van het koolstofnetwerk.
De belangrijkste vernieuwing zit in de chemie. In plaats van de gebruikelijke zuurstofreacties waarbij vier elektronen betrokken zijn, benut de katalysator een tweeelektronenreactie via waterstofperoxide. Deze route verloopt sneller en is beter omkeerbaar. De fluor-koolstofbindingen beïnvloeden de elektronenverdeling in het grafeen, waardoor de reacties gemakkelijker plaatsvinden.
Na 1.500 laadcycli nog altijd 97,6 procent efficiëntie
De laboratoriumresultaten zijn opvallend. Bij een stroomdichtheid van 2 milliampère per vierkante centimeter bereikte de oplaadbare batterij een zogenoemde round-trip efficiency van 98 procent. Dat betekent dat onder deze testomstandigheden 98 procent van de energie die tijdens het opladen wordt toegevoerd, bij het ontladen weer beschikbaar komt.
Na 1.500 laadcycli bedroeg die efficiëntie nog altijd 97,6 procent. Een niet-oplaadbare uitvoering leverde bovendien een piekvermogensdichtheid van 569 milliwatt per vierkante centimeter.
Wanneer kunnen we deze batterijen gebruiken?
Ondanks de indrukwekkende cijfers is commerciële toepassing nog niet vanzelfsprekend. De prestaties zijn onder gecontroleerde omstandigheden gemeten. Vooral de efficiëntie bij hogere stroomsterktes, de totale energiedichtheid en de langdurige stabiliteit van de zinkelektrode vragen om verder onderzoek.
Ook de omgang met waterstofperoxide en de kosten van grootschalige productie verdienen aandacht. Voorlopig lijkt de technologie vooral interessant als mogelijke route naar betaalbare, langdurige energieopslag, bijvoorbeeld voor elektriciteit uit zonnepanelen en windturbines. Het onderzoek laat vooral zien hoe nauwkeurige aanpassingen aan grafeen de prestaties van batterijen aanzienlijk kunnen verbeteren.
