Een waterige zink-jodiumbatterij van onderzoekers van de Australische Flinders University heeft meer dan 60.000 laad- en ontlaadcycli doorstaan. De batterij kan bovendien zeer snel worden geladen en gebruikt relatief goedkope grondstoffen. Een slim materiaal op basis van zetmeel moet een van de belangrijkste zwakke plekken van dit type batterij oplossen.
Lithium-ionbatterijen zijn tegenwoordig bijna overal te vinden, van smartphones en elektrische auto’s tot grote batterijparken. Voor grootschalige energieopslag zijn onderzoekers echter al jaren op zoek naar alternatieven. Daarbij draait het niet alleen om de hoeveelheid energie die een batterij kan opslaan. Kosten, levensduur, veiligheid en beschikbaarheid van grondstoffen zijn minstens zo belangrijk.
Een onderzoeksteam van Flinders University denkt met zink en jodium een interessante combinatie in handen te hebben. De onderzoekers ontwikkelden een zogeheten waterige zink-jodiumbatterij die tijdens laboratoriumtests meer dan 60.000 laadcycli aankon. Daarbij bedroeg het capaciteitsverlies slechts 0,0001 tot 0,0003 procent per cyclus.
Jodium ontsnapt uit de batterij
Zink-jodiumbatterijen zijn niet nieuw. Ze hebben op papier verschillende aantrekkelijke eigenschappen. Zink is relatief goedkoop en ruim beschikbaar en doordat de elektrolyt op water is gebaseerd, is het brandgevaar veel kleiner dan bij batterijen met brandbare organische elektrolyten, zoals veel lithium-ionaccu’s. Een belangrijk probleem zit echter bij het jodium. Tijdens het laden en ontladen ontstaan zogeheten polyjodiden. Die stoffen lossen gemakkelijk op in water en kunnen door de separator van de batterij bewegen. Vervolgens reageren ze met de zinkanode, waardoor de batterij langzaam achteruitgaat.
Dit verschijnsel staat bekend als het shuttle-effect en vormt al langer een belangrijk obstakel voor zink-jodiumbatterijen. Eerdere oplossingen probeerden de jodiumverbindingen bijvoorbeeld in poreuze materialen vast te houden, maar dat werkt niet altijd goed genoeg. De Australische onderzoekers kozen daarom voor een andere aanpak. Ze maakten een netwerk van polycyclodextrine, een polymeer dat is opgebouwd uit cyclodextrines. Dat zijn ringvormige suikermoleculen die uit zetmeel kunnen worden gemaakt en onder meer worden toegepast in voedingsmiddelen, cosmetica en geneesmiddelen.
Een moleculaire kooi
Cyclodextrines hebben een bijzondere structuur. De buitenkant trekt water aan, terwijl de holte aan de binnenkant juist waterafstotend is. Daardoor kunnen bepaalde moleculen in zo’n holte worden gevangen. De onderzoekers gebruiken die eigenschap als een soort moleculaire kooi voor de jodiumverbindingen. Het materiaal moet ze stevig genoeg vasthouden om te voorkomen dat ze door de batterij gaan zwerven, maar ook weer niet zo stevig dat de elektrochemische reacties worden afgeremd.
Vooral polymeer op basis van bèta-cyclodextrine bleek daarvoor geschikt. De holtes hebben volgens de onderzoekers de juiste afmetingen en bindingssterkte om de polyhaliden tijdelijk op te nemen en tijdens het laden en ontladen weer vrij te geven. Dat leverde opvallende resultaten op. In een test met een tweeelektronenreactie begon de batterij na stabilisatie met een capaciteit van ongeveer 149 mAh per gram. Na 60.000 cycli was daarvan nog ongeveer 148 mAh per gram over. Bij een andere chemische configuratie met een vierelektronenreactie daalde de capaciteit over 60.000 cycli van ongeveer 250 naar 205 mAh per gram.
Zeer snel laden
Ook de laad- en ontlaadsnelheid valt op. Bij hoge belastingen bleef een aanzienlijk deel van de capaciteit beschikbaar. De onderzoekers rapporteren onder meer 175 mAh per gram bij een snelheid van 34C. Dat komt theoretisch overeen met een laad- of ontlaadduur van minder dan twee minuten. Bij de langdurige cyclustests werden eveneens zeer hoge C-rates gebruikt.
Daarbij is wel een belangrijke kanttekening nodig. Het gaat om experimentele batterijcellen onder gecontroleerde laboratoriumomstandigheden. De resultaten betekenen dus niet dat er al een complete thuisbatterij bestaat die binnen enkele minuten kan worden opgeladen en vervolgens 60.000 volledige dagelijkse cycli meegaat.
De onderzoekers hebben wel grotere pouchcellen gebouwd om te kijken of het principe buiten kleine laboratoriumcellen blijft werken. Verschillende exemplaren hadden capaciteiten van 60 tot 300 mAh. Een pouchcel van 0,13 Ah behield na 1.000 cycli ongeveer 85 procent van zijn capaciteit.
Vooral interessant voor het elektriciteitsnet
Voorlopig zien de onderzoekers hun technologie vooral als kandidaat voor grootschalige energieopslag. Daar wegen lage kosten, veiligheid en een lange levensduur zwaar, terwijl een zo hoog mogelijke energiedichtheid minder belangrijk is dan bij elektrische auto’s of smartphones.
Er moet nog behoorlijk wat gebeuren voordat dergelijke zink-jodiumbatterijen naast een zonnepark of windpark kunnen staan. Zo zagen de onderzoekers na de langdurige tests nog aantasting van de zinkanode en moet de hoeveelheid actief materiaal in praktische elektroden verder omhoog.
Flinders University werkt inmiddels samen met industriële partijen aan een platform waarmee grotere prototypes van het batterijsysteem kunnen worden ontwikkeld. Daarmee moet duidelijk worden of de indrukwekkende prestaties uit het laboratorium ook overeind blijven wanneer de batterij wordt opgeschaald.
