Chinese onderzoekers ontwikkelen een veilige en goedkope flowbatterij op waterbasis die na 220 laadcycli nog geen spat capaciteit verliest – een potentiële gamechanger voor grootschalige energieopslag.
Een team van onderzoekers aan de Xi’an Jiaotong-universiteit heeft een belangrijke doorbraak gerealiseerd in het ontwerp van waterige organische redox-flow-batterijen (AORFB’s). Hun nieuwe waterige organische redox‑flow‑batterij (AORFB) hield na maar liefst 220 volledige laad‑ontlaadcycli exact dezelfde capaciteit vast – een prestatie die tot nu toe vooral voorbehouden leek aan (veel duurdere) vanadium‑flow‑batterijen of solide‑state lithiumcellen. Een unicum in dit batterijsegment.
Volgens de studie, gepubliceerd in National Science Review, ligt het geheim in een innovatief molecuulontwerp van de negatieve elektrolyt (anolyte): een gemodificeerd naphthaleendi-imide (NDI) dat ongekende stabiliteit vertoont in een waterige omgeving. De ontwikkeling zet een grote stap richting veilige, goedkope en schaalbare energieopslag voor nettoepassingen.
Redox-flow-batterij
Redox-flow-batterijen (AORFB’s) onderscheiden zich van lithium- of natriumionbatterijen doordat hun opslagmedium losstaat van de elektroden: de energie wordt opgeslagen in vloeibare elektrolyten die door externe tanks circuleren. Hierdoor zijn ze vrijwel onbeperkt schaalbaar en bijzonder geschikt voor stationaire energieopslag, zoals netbuffering of industriële back-upsystemen.
In AORFB’s wordt gezocht naar organische moleculen op waterbasis die veilig, goedkoop en duurzaam kunnen functioneren. NDI-derivaten zijn veelbelovend vanwege hun vermogen om twee elektronen per molecuul op te slaan, wat bijdraagt aan een hogere energiedichtheid. Tot nu toe waren deze moleculen echter chemisch instabiel onder reële omstandigheden.
Moleculaire instabiliteit
Bij gebruik in een waterige oplossing worden klassieke NDI-moleculen vaak afgebroken door hydroxide-ionen, die de zijgroepen en imideringen aanvallen. Bovendien zorgen gevormde radicalen voor ongewenste aggregatie van moleculen, wat de viscositeit verhoogt en de prestaties verlaagt. Eerdere pogingen om deze nadelen te beperken, zoals oplosbaarheidsverhogende modificaties, leverden slechts beperkte verbetering op.
Zwitterionen brengen structuur en stabiliteit
Het team onder leiding van professor Gang He ontwikkelde een NDI-derivaat met zogeheten zwitterionische zijgroepen – moleculen met zowel positief als negatief geladen centra. Deze geladen delen zorgen voor een elektrostratische afstoting tussen NDI-moleculen, wat leidt tot een georganiseerde, parallel-verschoven stapeling (hoek: 42,8°, afstand: 3,45 Å).
Deze moleculaire structuur levert verschillende voordelen op. Zo stijgt de oplosbaarheid van het NDI-derivaat tot 1,49 M, wat bijdraagt aan een hogere energiedichtheid. Tegelijk blijft het molecuul chemisch stabiel, zelfs bij langdurige blootstelling aan hydroxide-ionen in de waterige oplossing. De aromatische stabiliteit in de gereduceerde toestand verbetert bovendien de redoxeigenschappen. Kaliumionen in de elektrolyt versterken de structuur verder via elektrostatische interacties.
Capaciteit volledig intact na 220 cycli
De nieuwe batterij werd getest in combinatie met een kaliumferrocyanide-catholyte en behaalde een elektronenconcentratie van 2 M – aanzienlijk hoger dan gebruikelijk bij eerdere AORFB-prototypes. Na 220 cycli was de capaciteit nog volledig intact, wat wijst op een opmerkelijk hoge cyclische stabiliteit.
Het kostenplaatje maakt de technologie nog aantrekkelijker: de geschatte materiaalkosten van de elektrolyt bedragen $6,18 per ampère-uur. Ter vergelijking: traditionele vanadium-flow-batterijen zitten al gauw in het veelvoudige daarvan, met bovendien schaarse en toxische componenten.
Mogelijke sleutelrol voor de energietransitie
Als deze technologie verder opschaalbaar blijkt, zou ze een sleutelrol kunnen spelen in de energietransitie. Denk aan toepassingen in:
- Zonne- en windparken, waar tijdelijk overschot lokaal opgeslagen kan worden.
- Microgrids en eilandnetten, waar veilige, niet-brandbare opslag essentieel is.
- Industriële installaties die hun piekverbruik willen afvlakken of energie-autonomie nastreven.
De voordelen stapelen zich op: geen zeldzame metalen, geen risico op thermische runaway, lage milieubelasting en een modulair ontwerp dat perfect past bij fluctuaties in aanbod en vraag.
Indrukwekkend, maar nog niet levensvatbaar
Hoewel 220 stabiele cycli indrukwekkend zijn, zijn commerciële flowbatterijen pas levensvatbaar vanaf duizenden tot tienduizenden cycli over meerdere jaren. Het onderzoeksteam geeft aan dat het verlengen van de levensduur bij hogere concentraties een van hun speerpunten blijft.
Daarnaast moeten nog vragen beantwoord worden over o.a. het langetermijngedrag bij temperatuurfluctuaties, opschaling naar kilowatt- tot megawattschaal, en onderhoud en compatibiliteit met bestaande systemen.
Moleculaire innovatie met grote belofte
De nieuwe NDI-gebaseerde waterbatterij laat zien hoe diepgaande chemische innovatie concrete vooruitgang kan opleveren in duurzame energieopslag. Door zwakke plekken in het molecuul te versterken en de onderlinge interactie slim te sturen, hebben de onderzoekers een fundamentele beperking van AORFB’s weten te doorbreken.
Als verdere testen uitwijzen dat de prestaties zich herhalen in grotere systemen en over langere looptijden, dan zou dit weleens een van de technologieën kunnen zijn die grootschalige netopslag betaalbaar en duurzaam maken.
