Mark van der Heijden
Onderzoekers van de TU Eindhoven, DIFFER en MIT hebben een nieuwe electrode met honingraat-poriën die een redox-flowbatterij efficiënter en goedkoper maakt. De nieuwe elektrode zorgt voor een hogestroomsnelheid én voldoende reactieoppervlak voor elektrochemische reacties tussen de elektrode en de elektrolyt.
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.
Om dit mogelijk te maken bestaat een batterij 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.
Lithium-ion batterijen zijn het meest bekende type batterij, maar deze batterijen zijn niet geschikt voor opslag op grote schaal, in de orde van honderden megawatts. De 50 jaar geleden door de NASA ontwikkelde redox-flowbatterij ondervangt dit probleem. Ook heeft de redox-flowbatterij een langere levensduur.
In deze batterij stromen een negatief geladen en positief geladen vloeibare elektrolytoplossing langs de reactiekamer. Elektrochemische reacties vinden plaats op het grensvlak tussen de elektrode en de elektrolyt. De capaciteit van de batterij is simpel te vergroten door een grotere tank met elektrolytoplossing aan het systeem te koppelen.
De onderzoekers zijn er in geslaagd de elektrode van de redox-flowbatterij te verbeteren. Deze heeft een poreuze structuur, zegt 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.’
De poreuze koolstofvezelelektroden die tot dusver gebruikt worden zijn complex en duur om te produceren. Forner-Cuenca: ‘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.’
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, de kleine poriën daartussen zorgen voor voldoende reactieoppervlak.
Promovendi Charles Tai-Chieh Wan van het MIT en Remy Jacquemond van de TU/e en DIFFER hebben voor deze doorbraak gezorgd, vertelt Forner-Cuenca. ‘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.’
