Nieuwe instrumenten tonen een weg vooruit voor grootschalige opslag van hernieuwbare energie

Een techniek die gebaseerd is op de principes van MRI en NMR heeft onderzoekers in staat gesteld niet alleen te observeren hoe batterijen van de volgende generatie voor grootschalige energieopslag werken, maar ook hoe ze falen, wat zal helpen bij de ontwikkeling van strategieën om de levensduur van batterijen te verlengen ter ondersteuning van de overgang naar een koolstofvrije toekomst.

De nieuwe instrumenten, die zijn ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit van Cambridge, zullen wetenschappers helpen efficiëntere en veiligere accusystemen te ontwerpen voor energieopslag op netschaal. Bovendien kan de techniek worden toegepast op andere soorten batterijen en elektrochemische cellen om de complexe reactiemechanismen die in deze systemen optreden, te ontwarren en storingen op te sporen en te diagnosticeren.

De onderzoekers testten hun technieken op organische redox-flowbatterijen, veelbelovende kandidaten om genoeg hernieuwbare energie op te slaan om steden van energie te voorzien, maar die te snel degraderen voor commerciële toepassingen. De onderzoekers ontdekten dat ze door de batterijen bij een lagere spanning op te laden, de degradatiesnelheid aanzienlijk konden vertragen, waardoor de levensduur van de batterijen werd verlengd. Deresultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature.

Batterijen vormen een essentieel onderdeel van de overgang van op fossiele brandstoffen gebaseerde energiebronnen. Zonder batterijen die op netschaal kunnen worden opgeslagen, zal het onmogelijk zijn de economie van energie te voorzien met uitsluitend duurzame energie. Lithium-ion-batterijen zijn weliswaar geschikt voor consumentenelektronica, maar zijn niet gemakkelijk groot genoeg om voldoende energie op te slaan om bijvoorbeeld een hele stad van energie te voorzien. Brandbare materialen in lithium-ion-batterijen vormen ook potentiële veiligheidsrisico's. Hoe groter de batterij, hoe groter de potentiële schade als hij in brand vliegt.

Redox-flowbatterijen zijn een mogelijke oplossing voor deze technologische puzzel. Zij bestaan uit twee tanks met elektrolytvloeistof, een positieve en een negatieve, en kunnen worden opgeschaald door alleen de grootte van de tanks te vergroten, waardoor zij zeer geschikt zijn voor de opslag van duurzame energie. Deze niet-ontvlambare batterijen ter grootte van een kamer of zelfs een gebouw kunnen een sleutelrol spelen in toekomstige groene energienetwerken.

Verschillende bedrijven ontwikkelen momenteel redox-flow-batterijen voor commerciële toepassingen, waarvan de meeste gebruik maken van vanadium als elektrolyt. Vanadium is echter duur en giftig en daarom werken batterijonderzoekers aan de ontwikkeling van een redox-flowbatterij op basis van organische materialen, die goedkoper en duurzamer zijn. Deze moleculen hebben echter de neiging snel af te breken.

"Aangezien de organische moleculen de neiging hebben om snel af te breken, betekent dit dat de meeste batterijen die deze moleculen als elektrolyten gebruiken, niet erg lang meegaan, waardoor ze ongeschikt zijn voor commerciële toepassingen," zegt Dr. Evan Wenbo Zhao van het Departement Chemie van Cambridge, en de eerste auteur van het artikel. "Hoewel we dit al een tijdje weten, hebben we niet altijd begrepen waarom dit gebeurt."

Nu hebben Zhao en zijn collega's in de onderzoeksgroep van professor Clare Grey in Cambridge, samen met medewerkers uit het Verenigd Koninkrijk, Zweden en Spanje, twee nieuwe technieken ontwikkeld om binnenin organische redox-flowbatterijen te kijken om te begrijpen waarom het elektrolyt afbreekt en hun prestaties te verbeteren.

Met behulp van "real time" nucleaire magnetische resonantie (NMR) studies, een soort functionele "MRI voor batterijen", en methoden die zijn ontwikkeld door de groep van professor Grey, waren de onderzoekers in staat resonantiesignalen af te lezen van de organische moleculen, zowel in hun oorspronkelijke toestand als wanneer zij in andere moleculen werden afgebroken. Deze 'operando' NMR-studies van de afbraak en zelfontlading in redox-flowbatterijen verschaffen inzicht in de interne onderliggende mechanismen van de reacties, zoals radicaalvorming en elektronenoverdracht tussen de verschillende redox-actieve soorten in de oplossingen.

"Er zijn weinig insitu mechanistische studies van organische redox-flowbatterijen, systemen die momenteel worden beperkt door degradatieproblemen," zei Grey. "We moeten begrijpen hoe deze systemen functioneren en ook hoe ze falen als we vooruitgang willen boeken op dit gebied."

De onderzoekers ontdekten dat de organische moleculen onder bepaalde omstandigheden de neiging vertoonden sneller af te breken. "Als we de oplaadomstandigheden veranderen door met een lagere spanning op te laden, gaat de elektrolyt langer mee," zei Zhao. "We kunnen ook de structuur van de organische moleculen veranderen, zodat ze langzamer afbreken. We begrijpen nu beter waarom de laadcondities en de moleculaire structuren ertoe doen."

De onderzoekers willen nu hun NMR-opstelling toepassen op andere typen organische redox-flowbatterijen, maar ook op andere typen next-generation batterijen, zoals lithium-luchtbatterijen.

"We zijn enthousiast over het brede scala aan potentiële toepassingen van deze methode om een verscheidenheid aan elektrochemische systemen te monitoren terwijl ze in werking zijn," zei Grey.

De NMR-techniek zal bijvoorbeeld worden gebruikt voor de ontwikkeling van een draagbaar apparaat voor de 'gezondheidscontrole' van batterijen om de toestand ervan te diagnosticeren.

"Met behulp van een dergelijk apparaat zou het mogelijk kunnen zijn om de conditie van de elektrolyt in een functionerende organische redox-flowbatterij te controleren en deze indien nodig te vervangen," zei Zhao. "Aangezien de elektrolyt voor deze batterijen goedkoop en niet-toxisch is, zou dit een relatief eenvoudig proces zijn, waardoor de levensduur van deze batterijen wordt verlengd."

Het onderzoek werd mede gefinancierd door de Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) en Shell.

Auteur: Universiteit van Cambridge

Image credit: Unsplash

Dit artikel is gepubliceerd onder Creative Commons Naamsvermelding 4.0 Internationale licentie.