Een nieuw geleidermateriaal en een nieuw elektrodemateriaal kunnen de weg vrijmaken voor goedkope batterijen en daarmee voor grootschalige opslag van duurzame energie.

De energietransitie is afhankelijk van technologieën die goedkope tijdelijke opslag van elektriciteit uit hernieuwbare bronnen mogelijk maken. Een veelbelovende nieuwe kandidaat zijn aluminium batterijen, die zijn gemaakt van goedkope en overvloedige grondstoffen.

Wetenschappers van ETH Zürich en Empa, onder leiding van Maksym Kovalenko, Hoogleraar Functionele Anorganische Materialen, behoren tot degenen die zich bezighouden met onderzoek en ontwikkeling van dit soort batterijen. De onderzoekers hebben nu twee nieuwe materialen geïdentificeerd die belangrijke vooruitgang kunnen boeken bij de ontwikkeling van aluminiumbatterijen. De eerste is een corrosiebestendig materiaal voor de geleidende delen van de batterij; de tweede is een nieuw materiaal voor de positieve pool van de batterij dat kan worden aangepast aan een breed scala aan technische vereisten.

Aangezien de elektrolytvloeistof in aluminiumbatterijen roestvast staal aantast, goud en platina, wetenschappers zoeken naar corrosiebestendige materialen voor de geleidende delen van deze batterijen. Titaannitride, een keramisch materiaal dat een voldoende hoge geleidbaarheid vertoont, is zo'n dirigent. "Deze verbinding bestaat uit de zeer overvloedige elementen titanium en stikstof, en het is gemakkelijk te vervaardigen, " legt Kovalenko uit.

De wetenschappers hebben in het laboratorium met succes aluminiumbatterijen gemaakt met geleidende onderdelen van titaniumnitride. Het materiaal kan gemakkelijk worden geproduceerd in de vorm van dunne films, ook als coating over andere materialen zoals polymeerfolies. Kovalenko gelooft dat het ook mogelijk zou zijn om de geleiders van een conventioneel metaal te vervaardigen en ze te coaten met titaniumnitride, of zelfs om geleidende sporen van titaniumnitride op plastic te printen. "De mogelijke toepassingen van titaniumnitride zijn niet beperkt tot aluminiumbatterijen. Het materiaal zou ook in andere soorten batterijen kunnen worden gebruikt; in die op basis van magnesium of natrium, of in hoogspannings-lithium-ionbatterijen, ' zegt Kovalenko.

Het tweede nieuwe materiaal kan worden gebruikt voor de positieve elektrode (pool) van aluminiumbatterijen. Terwijl de negatieve elektrode in deze batterijen van aluminium is, de positieve elektrode is meestal gemaakt van grafiet. Nutsvoorzieningen, Kovalenko en zijn team hebben een nieuw materiaal gevonden dat niet onderdoet voor grafiet als het gaat om de hoeveelheid energie die een batterij kan opslaan. Het materiaal in kwestie is polypyreen, een koolwaterstof met een ketenachtige (polymere) moleculaire structuur. Bij experimenten, monsters van het materiaal - met name die waarin de moleculaire ketens op een wanordelijke manier samenkomen - bleken ideaal te zijn. "Er blijft veel ruimte over tussen de moleculaire ketens. Hierdoor kunnen de relatief grote ionen van de elektrolytvloeistof het elektrodemateriaal gemakkelijk binnendringen en opladen, " legt Kovalenko uit.

Een van de voordelen van elektroden die polypyreen bevatten, is dat wetenschappers hun eigenschappen kunnen beïnvloeden, zoals de porositeit. Het materiaal kan daardoor perfect worden aangepast aan de specifieke toepassing. "In tegenstelling tot, het momenteel gebruikte grafiet is een mineraal. Vanuit een chemisch technisch perspectief, het kan niet worden gewijzigd, ' zegt Kovalenko.

Omdat zowel titaannitride als polypyreen flexibele materialen zijn, de onderzoekers denken dat ze geschikt zijn voor gebruik in "pouch cells" (batterijen ingesloten in een flexibele film).

Batterijen voor de energietransitie

Er wordt steeds meer elektriciteit opgewekt uit zonne- en windenergie. Echter, aangezien elektriciteit nodig is, zelfs als de zon niet schijnt en de wind niet waait, nieuwe technologieën nodig zijn, zoals nieuwe soorten batterijen, om deze elektriciteit op een kosteneffectieve manier op te slaan. Hoewel bestaande lithium-ionbatterijen vanwege hun lage gewicht ideaal zijn voor elektromobiliteit, ze zijn ook vrij duur en daarom ongeschikt voor economische grootschalige, stationaire energieopslag.

Verder, lithium is een relatief zeldzaam metaal en is moeilijk te extraheren - in tegenstelling tot aluminium, magnesium of natrium. Batterijen op basis van een van de laatste drie elementen worden dus gezien als een kansrijke optie voor stationaire energieopslag in de toekomst. Echter, dergelijke batterijen bevinden zich nog in de onderzoeksfase en zijn nog niet industrieel gebruikt.