EO

‘Honingraat’-membraan maakt redox-flowbatterij efficiënter

03 maart 2021 om 11:26 uur

De redox-flowbatterij bestaat uit twee tanks met vloeibare elektrolyt, de ene negatief geladen en de andere positief geladen. Deze oplossingen worden naar de reactor gepompt, waar de vloeistoffen door een membraan gescheiden worden gehouden. Elektrochemische reacties vinden plaats op het grensvlak tussen de elektrode en de elektrolyt. De stroom elektronen wordt opgevangen via een extern circuit in de ontladingsmodus. Wanneer de batterij wordt opgeladen, vinden de omgekeerde omkeerbare reacties plaats. Afbeelding: Colintheone, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

Onderzoekers van de TU Eindhoven, Differ en MIT ontwikkelden een elektrode met honingraat-porieën om de elektrochemische reactie in de redox-flowbatterij te verbeteren. Het materiaal maakt de batterij efficiënter en breder inzetbaar. Bovendien is het nieuwe membraan makkelijker en goedkoper te produceren en geschikt voor grootschalige productie.


De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in Advanced Materials.

 

De redox-flow batterij ontleent zijn naam aan de vloeibare elektrolytoplossing die langs de reactiekamer stroomt en in aparte tanks is opgeslagen. De ene tank bevat een negatief geladen oplossing en in de andere tank zit de positief geladen oplossing.

 

In tegenstelling tot de lithium-ion variant, kunnen redox-flowbatterijen hun capaciteit (kWh) verhogen zonder het vermogen (kW) te verhogen, en omgekeerd. Door een grotere tank met elektrolytoplossing aan het systeem te koppelen, kun je zo heel simpel je capaciteit enorm uitbreiden.

 

Redox-flowbatterijen worden kostenconcurrerend als je ze heel lang kunt ontladen. Bovendien zijn redox-flow batterijen veel veiliger dan lithium-ion batterijen omdat de componenten vloeibaar en niet ontvlambaar zijn. Redox-flowbatterijen hebben ook een langere levensduur door het ontbreken van de intercalatiereacties die een negatieve invloed hebben op de stabiliteit.

 

Hoewel ze veelbelovend zijn, zijn de huidige kosten nog te hoog om op grote schaal te worden toegepast.

 

Wederzijdse uitsluiting?

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, en het productieproces maakt het moeilijk om de driedimensionale structuur van de poriën aan te passen aan de gewenste toepassing.

 

Membraanwetenschap biedt de oplossing

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 hebben we polymeerfasescheiding gebruikt 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."

 

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

 

Honingraatstructuur verhoogt efficiëntie

Een van de ontwikkelde structuren bleek een schot in de roos: de ‘honingraat'-elektrode met een combinatie van 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."

 

Gerelateerd nieuws

Geoptimaliseerde verbindingstechnologie opent de deur naar veilig gebruik van waterstof in de luchtvaart

Magnetisch pulslassen maakt waterstofsystemen veilig voor vliegtuigen

Milieuvriendelijk vliegen op waterstof klinkt leuk, maar hoe maak je een veilig systeem voor deze cryogene brandstof die pas bij -253 graden Celsius bruikbaar is? Zowel tanks als leidingsystemen moeten bij zulke lage…

Hoe een bewegend platform voor 3D-printen afval en kosten kan verminderen

3D-printen kan nu 40 procent sneller en 30 procent goedkoper (video)

Onderzoekers van de USC Viterbi School of Engineering (VS) hebben een goedkoop dynamisch gestuurd oppervlak voor 3D-printers ontwikkeld dat afval vermindert en tijd bespaart.

Belvorming op elektroden beheersen

Belvorming op elektroden beheersen

Het gebruik van elektriciteit om water te splitsen in waterstof en zuurstof kan een effectieve manier zijn om schone waterstof te produceren, met verdere voordelen als die elektriciteit wordt opgewekt uit hernieuwbare…

Webshop

webshop

 

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Focus op

ABB BV
ABB BV

Machineveiligheid, systemen en componenten

Elobau Benelux BV *
Elobau Benelux BV *

creating sustainable solutions

Pilz Nederland
Pilz Nederland

Voor industriële (veilige) automatiseringsoplossingen

Rotero Holland BV
Rotero Holland BV

Stappenmotor - Servomotor - Elektro Magneet

Download gratis engineering boeken

A gratis boeken downloaden

 

Agenda

12 april 2021, online

Hannover Messe

De Hannover Messe is een van de grootste industriebeurzen.

15 april 2021

Masterclass Cyber security voor industriële automatisering (ICS en OT)

Biedt inzicht in welke gevaren en impact een cyber incident kan hebben op organisaties.

15 april 2021, online

KNAW-webinar: Innovatie versneld door coronacrisis

Medisch-technische onderzoekers laten zien hoe de coronacrisis ontwikkelingen binnen hun vakgebied...

Meer agendapunten »