In een flowbatterij kunnen kijken

Met behulp van neutronen visualiseren wetenschappers de interne processen van een redox-flowbatterij. Dit biedt nieuwe mogelijkheden om ze te verbeteren.

Een internationale samenwerking tussen de TU/e, het MIT en het Paul Scherrer Institute in Zwitserland onder leiding van TU/e-onderzoeker Antoni Forner Cuenca, ontwikkelde een nieuwe methode met neutron imaging die helpt om de innerlijke werking van redox flow batterijen te begrijpen.

De beelden bieden inspiratie en richtlijnen voor nieuwe ideeën en oplossingen en kunnen helpen bij de verdere ontwikkeling van redox flow batterijen.

Forner Cuenca leerde veel over Neutron imaging tijdens zijn PhD-opleiding, die in 2013 begon bij het PSI. Vervolgens deed hij in 2017 postdoctoraal onderzoek bij MIT, waar hij leerde over redox flow batterijen. Toen ging het lampje in zijn hoofd aan en startte hij dit onderzoek, getiteld Quantifying concentration distributions in redox flow batteries with neutron radiography.

Zwarte doos

“In de flowbatterij gaan ionen en redoxmoleculen in de elektrolyt in verschillende richtingen bewegen als er een stroom loopt, wat leidt tot veranderingen in de concentratie van moleculen. Die bewegingen bepalen de prestaties en duurzaamheid van de batterij, maar tot nu toe bleef dat systeem een zwarte doos. De mogelijkheid om in een werkende batterij te kijken en concentratieverdelingen te visualiseren, zal ons begrip van het systeem enorm verbeteren.”

Een belangrijke factor in de werking van die batterij bleef tot nu toe dus onbekend terrein. Forner Cuenca: “Ons lichaam bestaat ook voor het grootste deel uit vloeistoffen, namelijk water. Röntgenstralen gaan daar doorheen en hebben interactie met zwaardere elementen in je botten, waardoor je ze kunt zien zonder een lichaam open te snijden. Neutronen werken omgekeerd: ze gaan gemakkelijk door de materialen van de batterijbehuizing heen, maar hebben een sterke wisselwerking met de moleculen in de vloeibare elektrolyten. Door gebruik te maken van de fundamentele eigenschap van de interactie van neutronen met bepaalde moleculen, zetten we voor het eerst neutron imaging in om de concentraties van moleculen in flowbatterijen te bekijken.”

De methode is bewerkelijker dan röntgenfotografie en vergelijkbaar met stop-motion animatie. “Om in realtime bij te houden hoe de concentratie van vloeistoffen in de batterij verandert, maken we continu elke dertig seconden foto’s van de verzameling neutronen die door de batterij gaat. We voegen die foto’s als het ware samen, waardoor we een video krijgen die laat zien hoe de concentratie verandert tijdens de werking van de batterij.”