ENGINEERINGNET.BE - 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.
Deze batterijen kunnen hun capaciteit verhogen zónder het vermogen te verhogen, en omgekeerd. Door een grotere tank met elektrolytoplossing aan het systeem te koppelen, is de capaciteit enorm uit te breiden.
Redox-flowbatterijen worden kostenconcurrerend als je ze heel lang kunt ontladen. Ook zijn ze veiliger dan lithium-ion batterijen omdat de componenten vloeibaar en niet ontvlambaar zijn. Verder hebben ze een lange levensduur door het ontbreken van de intercalatiereacties die een negatieve invloed hebben op de stabiliteit.
Maar dit type batterij is nog te duur om op grote schaal toe te passen. Er is daarom veel winst te behalen door de kosten omlaag te brengen en de efficiëntie en productie te verbeteren.
Onderzoekers van de TU Eindhoven, DIFFER en MIT hebben hiertoe samen gewerkt aan het ontwerp van nieuwe elektrode voor dit type batterij. Hoe sneller de elektronen stromen, hoe meer elektra de batterij genereert. De elektrode van een redox-flowbatterij heeft daarom een poreuze structuur.
Hoofdonderzoeker Antoni Forner-Cuenca van TU Eindhoven: "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.
Forner-Cuenca: "Het ontwerp en de keuze van de materialen is daarom 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 nauwkeurig regelen," aldus Forner-Cuenca.
Na veel computersimulaties en experimenteel werk wisten de onderzoekers een materiaal te ontwikkelen waarbij de poriegrootte en -vorm in de elektrode gemakkelijk is aan te passen door de hoeveelheden oplosmiddel en polymeren te variëren.
Forner-Cuenca: "Het fabricageproces van ons nieuwe materiaal is eenvoudiger en goedkoper, biedt een grotere veelzijdigheid en is gemakkelijker op te schalen dan bij conventionele elektrodenproductie. Het toont aan dat het mogelijk is om een elektrode te maken met zowel een gunstig bulk-elektronentransport als een groot reactieoppervlak."
Eén van de ontwikkelde structuren is de ‘honingraat’-elektrode: grote poriën garanderen de hoge stroomsnelheid en kleine poriën daartussen zorgen voor voldoende reactieoppervlak.
Forner-Cuenca: "Op dit moment werken we aan het optimaliseren van de duurzaamheid en het opschalen van het proces. Ook verkennen we andere toepassingen voor onze elektroden."
