Nieuwe flowbatterij slaat energie op in organisch molecuul

Het aanbod van groene energie kan sterk schommelen, dus is een grootschalige opslag vereist om het elektriciteitsnetwerk stabiel te houden. Grotere batterijen van het normale type maken is lastig, wat het concept van flowbatterijen aantrekkelijk maakt, aangezien deze stroom opslaan in een vloeistof. Deze vereisen echter zeldzame metalen en hun productie is duur. RUG-wetenschappers ontwikkelden een nieuw type elektrolyt voor flowbatterijen dat beide problemen kan oplossen. Hun resultaten zijn gepubliceerd in het Journal of the American Chemical Society op 8 maart.

WERKING fLOWBATTERIJEN

Flowbatterijen lijken sterk op onze gewone batterijen. Maar een groot verschil is dat ze de energie opslaan in twee verschillende vloeistoffen met daarin opgeloste chemicaliën. Zo’n batterij wordt opgeladen (en ook weer ontladen) door deze vloeistoffen door een elektrochemische cel te pompen, langs een membraan dat de uitwisseling van ionen toestaat. De energie-inhoud van zo’n batterij is eenvoudig op te schalen door grotere opslagtanks voor de vloeistoffen te gebruiken.

Duur

China heeft recent dit soort flowbatterijen geïnstalleerd om het variabele aanbod van groene stroom op te vangen. ‘Grootschalige opslagcapaciteit is nodig wanneer de wisselende stroombronnen, zoals wind of zon, een flink aandeel van de energiemix vormen. Dan dreigt er instabiliteit van het netwerk’, zegt Edwin Otten, associate professor in moleculaire anorganische chemie aan de RUG. ‘Het type batterij dat de Chinezen gebruikten is ontwikkeld in de jaren 1980 en gebaseerd op een vloeistof met vanadium.’ Dit metaal wordt op maar enkele plekken gewonnen. ‘Daarom is de aanvoer niet altijd verzekerd, en is het nogal duur’, legt Otten uit. Bovendien is er een speciale membraan nodig om de twee vloeistoffen van elkaar te scheiden, wat ook voor extra kosten zorgt. Daarom ontwikkelde de onderzoeksgroep van Otten, samen met collega’s van de TU Eindhoven en de Technical University of Denmark, een nieuw type materiaal voor flowbatterijen.

Blatter radicaal

‘We wilden een symmetrische batterij maken, waarin beide opslagtanks dezelfde vloeistof bevatten’, vertelt Otten. ‘Daarnaast wilden we de vloeistof baseren op een organisch molecuul, en niet op een metaal.’ Beide zijden van een flowbatterij bevatten doorgaans een verschillende vloeistof, die elektronen kunnen opnemen of afstaan. Er zijn wel symmetrische batterijen gemaakt, door de moleculen die aan beide zijden gebruikt worden aan elkaar te verbinden en dit hybride molecuul in allebei de tanks te stoppen. ‘Een nadeel van deze methode is dat je maar de helft van dat molecuul gebruikt. En bovendien ontstaan er bij gebruik reactieve radicalen die ze kunnen afbreken. Dat zorgt voor problemen met de stabiliteit.’

Daarom gebruikten Otten en zijn team een andere aanpak. Zij gingen op zoek naar een stabiel molecuul dat elektronen kan accepteren én doneren. Dat is dus aan beide kanten van de batterij te gebruiken. De meest geschikte verbinding was een Blatter radicaal, een bipolaire organische verbinding die in een redoxreactie elektronen kan doneren en accepteren. ‘En het molecuul dat we kozen was van zichzelf al stabiel’, zegt Otten.

Zijn team testte de verbinding in een kleine elektrochemische cel. Die werkte prima, en bleef stabiel gedurende 275 cycli van laden en ontladen. ‘We moeten dat wel naar enkele duizenden cycli verhogen. Maar dit experiment was een bewijs dat het concept mogelijk is. We kunnen een stabiele, symmetrische flowbatterij maken.’ De organische Blatter radicaal is relatief eenvoudig te maken en hoewel er momenteel geen fabrikant voor is, zou dat ook op grote schaal moeten kunnen.

Onbalans

‘Een ander voordeel van ons symmetrische systeem is dat lekkage van het molecuul door de membraan geen problemen oplevert’, legt Otten uit. ‘Het kan zorgen voor een iets hoger volume in een van beide opslagtanks, maar die onbalans is eenvoudig te herstellen door de polariteit om te schakelen.’ Tijdens de testen bleek dit inderdaad te werken. Eerdere experimentele symmetrische batterijen waren niet stabiel genoeg om voldoende cycli te krijgen waarmee dit was aan te tonen.

De volgende stap is om een wateroplosbare versie van het Blatter radicaal te maken. De meeste elektrochemische cellen zijn ontworpen voor waterige vloeistoffen, aangezien dat een goedkoop en onbrandbaar oplosmiddel is. ‘Enkele promovendi uit mijn groep werken hier nu aan.’ En een volgende test is om de stabiliteit en oplosbaarheid van dat nieuwe Blatter radicaal op grote schaal te testen. Otten: ‘Het is cruciaal dat onze verbinding stabiel genoeg is voor commerciële toepassingen.’

 

Referentie: Jelte S. Steen, Jules L. Nuismer, Vytautas Eiva, Albert E. T. Wiglema, Nicolas Daub, Johan Hjelm, and Edwin Otten: Blatter Radicals as Bipolar Materials for Symmetrical Redox-Flow Batteries. J. Am. Chem. Soc. 8 maart 2022

Bron: RUG