Redox-flowbatterijen: sleutel tot grootschalige energieopslag
REDOX-BLEND-project ontwikkelt nieuwe generatie circulaire flowbatterijen
Redox-flowbatterijen worden gezien als een veelbelovende technologie voor grootschalige opslag van hernieuwbare energie. Hoewel de huidige batterijen energie efficiënt kunnen opslaan en ontladen voor enkele uren, zijn er nog nauwelijks systemen die langer dan tien uur energie kunnen leveren. Binnen het REDOX-BLEND-project werken Nederlandse onderzoekers daarom aan een nieuwe generatie circulaire flowbatterijen met een hogere energiedichtheid, langere opslagduur en zonder schaarse grondstoffen als vanadium, lithium en kobalt.
Redox-flowbatterijen
Bij dit type batterijen vindt de energieomzetting tussen elektrische stroom en chemische energie plaats via vloeibare, in externe reservoirs circulerende redoxparen (vanadiumionen, ijzerionen of zink/bromidesystemen); een semipermeabel membraan zorgt voor een permanente scheiding. Stroom ontstaat doordat elektronen van de reductor bij de anode via een extern circuit naar de oxidator bij de kathode bewegen. Tegelijkertijd transporteert het membraan ionen (bv. H⁺) in tegengestelde richting ter handhaving van het ladingsevenwicht. Tijdens het opladen dwingt een externe stroom de elektronen terug, waardoor de batterij opnieuw energie opslaat.
Voor David Vermaas, universitair hoofddocent en projectleider van het REDOX-BLEND-project, was de inschrijving voor het programma 'Technologieontwikkeling voor circulaire batterijen' een volstrekt logische stap.
"Met batterijen voor langdurige elektriciteitsopslag waren wij al volop bezig. Dit project biedt ons de kans om samen met andere Nederlandse experts te werken aan een nieuwe generatie batterijen zonder schaarse materialen als vanadium, lithium en kobalt. Je kunt daarbij denken aan systemen op basis van organische moleculen, ijzer, waterstof, carbonaat en jodium. De doelstelling is tweeledig: enerzijds de ontwikkeling van nieuwe redoxflowconcepten voor langdurige opslag van duurzame energie en anderzijds de verhoging van de intrinsieke energiedichtheid van redox-flowsystemen.”
Vergroten opslagcapaciteit groene energie
Langdurige opslag van groene energie is essentieel voor netbalancering bij wind- en zonne-energie. Omdat de elektriciteitsproductie sterk fluctueert, zijn netbeheerders genoodzaakt vraag en aanbod voortdurend in balans te houden.
Vermaas: "De huidige generatie batterijen kan het elektriciteitsnet in zonarme en windluwe perioden niet meerdere dagen van stroom voorzien. Batterijen met een grote energiecapaciteit kunnen dat wel, maar geven bij volle belasting hun energie binnen enkele uren af. Redox-flowbatterijen bieden hier uitkomst, omdat vermogen en opslagcapaciteit onafhankelijk schaalbaar zijn. Bij Li-ionbatterijen is dat niet het geval. De energie is in dat geval opgeslagen in vaste elektroden die niet kunnen stromen, en dus zijn vermogen en capaciteit aan elkaar gekoppeld."
De batterijprestaties kunnen vooral worden verbeterd door grotere elektrolyttanks, hogere concentraties redoxstoffen en redoxkoppels met een hogere celspanning.
Vergroten volume elektrolyttanks
Bij redox-flowbatterijen wordt energie opgeslagen in vloeibare elektrolyten in externe tanks. Door grotere reservoirs te gebruiken, neemt de opslagcapaciteit toe zonder dat het vermogen hoeft te veranderen. Wel is het zaak een goede balans te vinden tussen opslagcapaciteit, beschikbare ruimte en systeemkosten.
Concentratieverhoging redoxactieve stoffen in de elektrolyt
Door een dergelijke concentratieverhoging kan meer elektrische lading per liter worden opgeslagen. Dit wordt bereikt met stabiliserende additieven of door de zuurgraad aan te passen en zo neerslagvorming te voorkomen. Een goede balans tussen opslagcapaciteit, stroming en elektrische geleidbaarheid is daarbij een randvoorwaarde.
Keuze voor elektrolyten met een hogere celspanning
De hoeveelheid opgeslagen energie wordt bepaald volgens het product van lading en celspanning, E = Q × V. Een hogere celspanning bij gelijke lading verhoogt dus de energiedichtheid. Dit vereist redoxkoppels met een groter potentiaalverschil. Voorwaarden daarbij zijn: stabiliteit van het elektrolyt, beperking van nevenreacties en borging van de materiaalcompatibiliteit.
Vergroten intrinsieke energiedichtheid redox-flowsystemen
Om de intrinsieke energiedichtheid − de hoeveelheid energie die per liter elektrolyt kan worden opgeslagen − te verhogen, is het gebruik van geavanceerde materialen en chemische samenstellingen aangewezen.
Vermaas daarover: "Bij een batterij vinden aan de elektroden redoxreacties plaats met actieve componenten; het spanningsverschil wordt bepaald door de elektrochemische potentialen van deze reacties. De energiedichtheid van een batterij (bijvoorbeeld in wattuur per liter) hangt af van zowel dit voltage als van de hoeveelheid verplaatsbare lading. Die wordt op zijn beurt bepaald door de hoeveelheid actief materiaal die effectief kan deelnemen aan de elektrochemische reacties. De energiedichtheid wordt dus in hoofdzaak bepaald door de oplosbaarheid van de actieve stoffen, de chemie van de redoxreacties en het celontwerp."
Oplosbaarheid/activiteit van redoxactieve species in de elektrolyt
Hoe meer redoxactieve stoffen oplossen en reageren in de batterijvloeistof, hoe hoger de energiedichtheid en het vermogen van de batterij. Er zijn verschillende manieren om die oplosbaarheid/activiteit te verbeteren:
- ontwikkeling van beter oplosbare redoxactieve stoffen: redoxactieve moleculen selecteren of ontwikkelen die intrinsiek beter oplosbaar zijn;
- moleculaire engineering: de chemische structuur van redoxactieve moleculen aanpassen om hun prestaties (zoals stabiliteit en redoxactiviteit) te verbeteren;
- elektrolyt- en hulpstofontwikkeling: de oplosbaarheid verhogen door de elektrolytsamenstelling te optimaliseren, bijvoorbeeld met aangepaste oplosmiddelen, zouten of andere hulpstoffen.
Chemie van actieve componenten
Bij redoxstroombatterijen wordt de energiedichtheid vooral bepaald door de chemie en concentratie van de actieve stoffen in de elektrolyten.
Deze kan worden verhoogd door:
- een hogere celpotentiaal: kiezen voor redoxkoppels die een groter spanningsverschil opleveren, wat meer energie per reactie geeft;
- lagere interne weerstand: efficiënter ionen- en elektronentransport verlaagt ohmse spanningsverliezen, waardoor meer opgeslagen energie beschikbaar blijft;
- een hogere oplosbaarheid van actieve stoffen in de elektrolyt: maakt het mogelijk meer reactief materiaal in dezelfde ruimte op te slaan.
Cel- en membraanontwerp
Een suboptimaal ontwerp kan leiden tot hogere hydraulische weerstand, concentratiegradiënten en lagere energiedichtheid.
- celontwerp: grotere of poreuzere elektroden verbeteren massatransport, verminderen concentratiegradiënten en verhogen de efficiëntie en energiebenutting van elektrochemische reacties;
- membraanontwerp: een selectief membraan scheidt positieve en negatieve elektrolytstromen, voorkomt lekstromen en verhoogt de elektrolytconcentratie voor een hogere energiedichtheid zonder stabiliteitsverlies
Vermaas: "In principe zijn al deze factoren van belang, maar de keuze voor de redoxactieve stoffen is wel de meest bepalende van de drie. Afhankelijk van die redoxactieve stoffen moet je ook kiezen voor andere membranen, elektroden en/of een ander elektrolyt."
Verwachtingen
Over de resultaten van het project is Vermaas hoopvol gestemd: "Over vier jaar hebben we hopelijk een goed recept voor de volgende generatie batterijen, maar die zijn dan nog niet in productie. Daarom is het belangrijk om ook de huidige batterijconcepten verder te ontwikkelen; dat gebeurt onder meer samen met bedrijven binnen het Nationaal Groeifondsprogramma dat recent van start is gegaan. Zelf ben ik vooral benieuwd naar nieuwe samenstellingen, zoals waterstofgebaseerde batterijen. De eerste kleinschalige resultaten zijn veelbelovend, dus kijk ik alvast uit naar verdere tests in een flowbatterij."