Nieuwe flowbatterij slaat energie op in organisch molecuul

Omdat het aanbod van groene energie sterk kan wisselen is er grootschalige opslag nodig om het elektriciteitsnetwerk stabiel te houden. Het is lastig hele grote normale batterijen te maken. Daarom is het concept van flowbatterijen, die stroom in een vloeistof opslaan, aantrekkelijk. Maar voor dit type batterij zijn zeldzame en metalen nodig en ze zijn duur om te maken. RUG-wetenschappers hebben nu een nieuw type elektrolyt voor flowbatterijen ontwikkeld dat beide problemen kan oplossen. Hun resultaten zijn gepubliceerd in het Journal of the American Chemical Society op 8 maart.

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 opzoek naar en 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 in water oplosbare 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