Een team van Chinese onderzoekers heeft details gepubliceerd over een waterige batterij die volgens hen de manier waarop energie op grote schaal wordt opgeslagen, zou kunnen veranderen. De bevindingen zijn verschenen in Nature Communications. De batterij doorstond 120,000 laad-ontlaadcycli in laboratoriumtests en behield daarbij grotendeels zijn capaciteit. De onderzoekers beschrijven de afvoer ervan als milieuvriendelijk.
Een neutrale elektrolyt in de kern
Het ontwerp is gebaseerd op een pH-neutrale elektrolyt, opgebouwd uit magnesium- en calciumzouten. Dit wijkt af van de standaardchemie van waterige batterijen, die vaak gebruikmaken van sterk zure of alkalische oplossingen. Deze oplossingen corroderen elektroden en leiden na verloop van tijd tot degradatie. De neutrale aanpak voorkomt beide problemen. De elektrolyt heeft een pH-waarde van 7, dicht bij die van schoon water.
De grootste uitdaging was het combineren van de elektrolyt met het juiste elektrodemateriaal. Het team ontwikkelde een covalent organisch polymeerelektrode die speciaal ontworpen is om magnesium- en calciumionen te binden. Het polymeer heeft een stijve, honingraatachtige moleculaire structuur. Deze structuur stabiliseert de actieve stof en beschermt deze tegen afbraak in waterige chemicaliën. Tijdens tests leverde de cel een specifieke capaciteit van 112.8 milliampère-uur per gram.
Beweringen over levensduur en wat ze betekenen
De onderzoekers stellen dat de batterij bij dagelijkse laad- en ontlaadcycli een levensduur van eeuwen zou kunnen bereiken. Live Science meldde zelfs dat de batterij tot in de 24e eeuw zou meegaan. Dat cijfer moet echter in de juiste context worden geplaatst. Laboratoriumtests geven niet altijd een directe indicatie van de werkelijke situatie. Temperatuurschommelingen, belastingvariaties en fysieke belasting in praktijksituaties introduceren allemaal variabelen die laboratoriumtests niet volledig nabootsen.
Het cijfer van 120,000 laadcycli is op zichzelf al een opmerkelijk resultaat. De meeste commerciële lithium-ionbatterijen degraderen aanzienlijk na 2,000 tot 4,000 laadcycli. Zelfs lithium-ijzerfosfaatcellen, die specifiek voor het elektriciteitsnet zijn ontwikkeld, werken doorgaans binnen een bereik van 3,000 tot 6,000 laadcycli voordat er een significant capaciteitsverlies optreedt. Het verschil tussen die cijfers en 120,000 is groot. Onafhankelijke verificatie van het resultaat is nog niet gepubliceerd.
Ook de bewering over de verwijdering verdient aandacht. De auteurs beschrijven de elektrolytchemie als veilig genoeg voor directe lozing in het milieu. Dat is een sterke bewering. Wettelijke kaders in het VK, de VS en de EU stellen strenge normen voor de verwijdering van batterijen. Of deze chemie in de praktijk aan die normen voldoet, vereist onafhankelijk milieuonderzoek.
Waar waterbatterijen het moeilijk hebben gehad
Waterbatterijen hebben steeds meer belangstelling gewekt bij ontwikkelaars van energieopslagsystemen. Ze zijn brandveilig. De productie ervan kan goedkoper zijn dan die van lithium-ionbatterijen. Elektrolyten op waterbasis zijn ruim beschikbaar en gemakkelijk te verwerken.
De compromissen zijn echter wel degelijk aanwezig. De energiedichtheid in waterige systemen ligt lager dan in lithium-ion-alternatieven. Elektrodecorrosie heeft de levensduur van veel ontwerpen verkort. Overzichtsartikelen gepubliceerd in Energy Storage Materials hebben deze beperkingen gedetailleerd beschreven. Ze hebben de commerciële toepassing ervan belemmerd, zelfs nu de vraag naar energieopslag in het elektriciteitsnet toeneemt.
Het nieuwe ontwerp probeert die compromissen te verminderen. De neutrale elektrolyt pakt corrosie direct aan. De polymeerelektrode pakt degradatie aan. Of de combinatie standhoudt op grote schaal, bij verschillende temperatuurbereiken en in reële netwerkomgevingen, is een vraag die in het gepubliceerde artikel nog niet beantwoord wordt.
De vraag naar energieopslag in het net en de bredere context
Batterijopslag op netwerkschaal is een prioriteit geworden in de planning van schone energie. Het Internationaal Energieagentschap heeft herhaaldelijk aangegeven dat opslagcapaciteit een belangrijke beperking vormt voor de integratie van hernieuwbare energiebronnen. Wind- en zonne-energieopwekking is immers intermitterend. Opslag vermindert die intermittering. Lithium-ionbatterijen domineren de huidige installaties, maar problemen met de toeleveringsketen, de kosten van grondstoffen en het brandrisico houden de interesse in alternatieven levend.
Watergebaseerde systemen, flowbatterijen en persluchtopslag hebben allemaal de aandacht getrokken van investeerders en onderzoekers. Elk systeem heeft een eigen kosten- en prestatieprofiel. Een batterij met een zeer lange levensduur en een laag milieurisico zou twee van de meest hardnekkige commerciële problemen in de sector oplossen.
Het werk van het Chinese team bevindt zich nog in een vroeg stadium. De publicatie in Nature Communications geeft aan dat de methodologie de toets der kritiek van experts heeft doorstaan. Dit garandeert echter niet dat het product commercieel gereed is.
Wat volgt
Opschaling is de volgende test. Laboratoriumcellen en installaties op netwerkschaal verschillen enorm in technische complexiteit. De covalente organische polymeerelektrode zou op grote schaal geproduceerd moeten worden. De kosten per kilowattuur op grote schaal zijn op basis van dit artikel nog niet bekend.
De onderzoekers hebben nog geen commerciële partner of pilotproject aangekondigd. Er is geen tijdschema voor de uitrol te vinden in de gepubliceerde materialen. De resultaten zijn geloofwaardig genoeg om in de gaten te houden, maar het is nog te vroeg om het probleem als opgelost te beschouwen.
