Een nieuwe zink-luchtbatterij met een levensduur van 3.600 uur zet de deur open voor veilige, goedkope en duurzame energieopslag. Is dit het begin van het einde voor lithium-ion?
Zink-luchtbatterijen (ZAB’s) staan aan de vooravond van een technologische sprong voorwaarts dankzij baanbrekend onderzoek van Tohoku University.
Waar conventionele lithium-ion batterijen kampen met hoge kosten en veiligheidsrisico’s, bieden ZAB’s een lichter, veiliger en goedkoper alternatief. Een nieuwe doorbraak in katalysatortechnologie kan de potentie van deze batterijen nu echt waarmaken.
Enorm potentieel
In tegenstelling tot lithium-ionbatterijen, die afhankelijk zijn van schaarse en soms instabiele materialen, werken zink-luchtbatterijen op basis van een simpele maar krachtige chemische reactie: zuurstof uit de lucht reageert met zink om elektriciteit op te wekken. Dit maakt ze niet alleen goedkoper en veiliger, maar theoretisch ook energie-efficiënter. De energiedichtheid van ZAB’s ligt namelijk hoger dan die van traditionele lithium-ion batterijen, terwijl de kans op oververhitting of ontbranding aanzienlijk lager is.
Toch bleef de brede adoptie van ZAB’s uit, vooral door een traag verlopende zuurstofreductiereactie (ORR). Dit proces, waarbij zuurstofmoleculen tijdens de ontlading worden omgezet, verliep tot nu toe inefficiënt, wat de prestaties en levensduur van de batterijen beperkte. Daar komt echter verandering in dankzij een innovatieve katalysator ontwikkeld door een team van Tohoku University onder leiding van assistent-professor Di Zhang.
Katalysator zorgt voor doorbraak
Om de ORR te versnellen, ontwikkelde het team een zogeheten dual-atom katalysator, gebaseerd op een unieke combinatie van ijzer (Fe) en kobalt (Co) atomen. Deze zijn ingebed in een stikstof- en koolstofgebaseerde poreuze structuur, een materiaal dat de naam Fe₁Co₁-N-C draagt. Volgens het onderzoek, gepubliceerd in Energy & Environmental Science, biedt deze katalysator aanzienlijk betere prestaties dan de conventionele platina-katalysator (Pt/C).
De onderzoekers gebruikten geavanceerde computermodellen om te analyseren hoe de zuurgraad (pH-waarde) invloed heeft op de ORR. Op basis hiervan wisten zij de ideale eigenschappen voor alkaline batterijcondities te bepalen. Via een template-methode en CO₂-activering werd een poreuze structuur gecreëerd die een optimale doorstroming van reactanten mogelijk maakt.
Resultaten overtreffen huidige batterijtechnologie
Laboratoriumtests toonden indrukwekkende resultaten: zink-luchtbatterijen voorzien van de nieuwe Fe₁Co₁-N-C katalysator bereikten een open-circuit spanning van 1,51 volt, een sterke indicatie van het energiepotentieel. Ook de energiedichtheid was indrukwekkend: 1.079 Wh kgZn⁻¹ — een waarde die de meeste huidige batterijtechnologieën ruimschoots overtreft.
Daarnaast lieten de batterijen een uitstekende levensduur zien: meer dan 3.600 uur en 7.200 cycli bij gemiddelde stroomniveaus. Ter vergelijking: de meeste lithium-ion batterijen halen deze cijfers bij lange na niet.
Op naar goedkopere, duurzamere en veiligere energieopslag
Het succes van deze dual-atom katalysator opent de deur naar goedkopere, duurzamere en veiliger energieopslag. Omdat ijzer en kobalt veel beter beschikbaar zijn dan platina, kan opschaling van productie mogelijk eenvoudiger en goedkoper worden gerealiseerd.
Volgens Zhang’s team ligt de focus nu op verdere verfijning van de atomaire paringen in toekomstige katalysatoren. Daarnaast willen de onderzoekers nieuwe technieken ontwikkelen om de specifieke actieve locaties binnen de katalysator die de ORR aandrijven beter te identificeren. Deze stappen zijn cruciaal om de technologie klaar te stomen voor toepassingen in elektrische voertuigen en duurzame energiesystemen.
“Dit onderzoek biedt een efficiënte en doordachte strategie voor het ontwerpen van katalysatoren die geschikt zijn voor toepassingen in de echte wereld,” aldus Zhang.
Een serieuze concurrent voor lithium-ion
Met de introductie van de Fe₁Co₁-N-C dual-atom katalysator lijkt de weg vrij voor zink-luchtbatterijen om een serieuze concurrent te worden voor lithium-ion technologie. Lagere kosten, hogere energiedichtheid en een ongeëvenaarde levensduur maken deze innovatie tot een veelbelovende stap richting duurzame energieoplossingen.
Als de opschaling net zo veelbelovend verloopt als de laboratoriumtests, kan dit wel eens het keerpunt zijn waar de energiemarkt op heeft gewacht.
