Honingraat membraan vergroot efficiency redox-flowbatterij

Voor grootschalige energieopslag is de redox-flowbatterij veelbelovend. Een team onderzoekers van de TU Eindhoven, DIFFER en MIT ontwikkelde een compleet nieuwe electrode met honingraat-poriën die de elektrochemische reactie verbetert. Het materiaal maakt de batterij efficiënter en breder inzetbaar voor verschillende toepassingen. Bovendien kan men het nieuwe membraan makkelijker, goedkoper en op grote schaal produceren.

Batterijen werken op redoxreacties; moleculen die elektronen uitwisselen. De reductor verliest een elektron waarna de oxidator een elektron absorbeert. In het geval van een batterij zijn ze gescheiden van elkaar. Het resulterende ladingsverschil creëert een stroom van elektronent.

Hoewel redox-flow-batterijen veelbelovend zijn, zijn de kosten nog te hoog voor grootschalige toepassing. Onderzoekers van de TU/e en DIFFER werkten samen met MIT-wetenschappers aan het ontwerp van nieuwe elektroden om de efficiëntie van dit type batterij te verhogen.

Stroomsnelheid én reactieoppervlak

Hoe sneller de elektronen stromen, hoe meer elektriciteit de batterij genereert. De elektrode van een redox-flowbatterij heeft daarom een poreuze structuur. Hoofdonderzoeker Antoni Forner-Cuenca van de TU/e: ‘Hoe groter de poriën, hoe makkelijker het elektrolyt er doorheen kan stromen en hoe lager het drukverlies. Maar als de poriën te groot zijn, doen we afstand van het grote oppervlak. Idealiter wil je dus een hoge stroomsnelheid én een groot reactieoppervlak.’

Op dit moment gebruiken redox-flowbatterijen conventionele koolstofvezelelektroden. Deze zijn ontworpen voor lage temperatuur brandstofcellen. Maar deze elektroden zijn complex en duur om te produceren. Het productieproces maakt het bovendien moeilijk om de driedimensionale structuur van de poriën aan te passen aan de gewenste toepassing.

Forner-Cuenca: ‘We moesten terug naar de tekentafel om een beter presterende elektrode te ontwikkelen. Het ontwerp en de keuze van de materialen is daarbij volledig heroverwogen en verbeterd. Geïnspireerd door de membraanwetenschap en -technologie gebruikten we polymeerfasescheiding om de elektrodestructuur te kunnen controleren.

We beginnen daarbij met een vloeibare oplossing en twee polymeren. Door het materiaal onder te dompelen in water, krijg je een poreuze structuur. Eén van de polymeren lost namelijk op. Door te spelen met de samenstelling, het oplosmiddel, de temperatuur en andere parameters kunnen we de poreuze structuur van de elektrode zo nauwkeurig regelen. Het waren deze inzichten die de basis vormden voor ons nieuwe ontwerp.’

Eenvoudiger en goedkoper

Na talloze computersimulaties én experimenteel werk wisten de onderzoekers een materiaal te ontwikkelen waarbij de poriegrootte en -vorm in de elektrode gemakkelijk kunnen worden aangepast. Dat kan door de hoeveelheden oplosmiddel en polymeren te variëren. Forner-Cuenca: ‘Het fabricageproces van ons nieuwe materiaal is veel eenvoudiger en goedkoper. Daarbij biedt het een grotere veelzijdigheid en is het gemakkelijker op te schalen. Het toont aan dat het wel degelijk mogelijk is om een elektrode te maken met zowel een gunstig bulk-elektronentransport als een groot reactieoppervlak.’

Honingraat

Eén van de ontwikkelde structuren bleek een schot in de roos: een ‘honingraat’-elektrode met een zeer veelbelovende combinatie aan grote en kleine poriën. Dat maakt deze structuur geschikt voor grootschalige energieopslag. De grote poriën garanderen de hoge stroomsnelheid, als ware het een snelweg. En de kleine poriën daartussen zorgen voor voldoende reactieoppervlak, de N-wegen.