Hoe sla je hernieuwbare energie op zodat het er is wanneer je het nodig hebt, ook als de zon niet schijnt of de wind niet waait? Gigantische batterijen ontworpen voor het elektriciteitsnet, genaamd flow-batterijen, die elektriciteit opslaan in tanks met vloeibare elektrolyt - zou het antwoord kunnen zijn, maar tot nu toe hebben nutsbedrijven nog geen kosteneffectieve batterij gevonden die duizenden huizen betrouwbaar van stroom kan voorzien gedurende een levenscyclus van 10 tot 20 jaar.

Nutsvoorzieningen, een batterijmembraantechnologie ontwikkeld door onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy kan wijzen op een oplossing.

Zoals gemeld in het tijdschrift van Joule , de onderzoekers ontwikkelden een veelzijdig maar betaalbaar batterijmembraan - van een klasse polymeren die bekend staat als AquaPIM's. Deze klasse polymeren maakt duurzame en goedkope netbatterijen mogelijk op basis van uitsluitend gemakkelijk verkrijgbare materialen zoals zink, ijzer, en water. Het team ontwikkelde ook een eenvoudig model dat laat zien hoe verschillende batterijmembranen de levensduur van de batterij beïnvloeden, die naar verwachting de vroege fase van R&D voor stroombatterijtechnologieën zal versnellen, vooral bij het zoeken naar een geschikt membraan voor verschillende batterijchemieën.

"Onze AquaPIM-membraantechnologie is goed gepositioneerd om het pad naar de markt te versnellen voor flowbatterijen die schaalbare, goedkoop, op water gebaseerde chemie, " zei Brett Helms, een hoofdonderzoeker in het Joint Center for Energy Storage Research (JCESR) en stafwetenschapper bij Berkeley Lab's Molecular Foundry die het onderzoek leidde. "Door gebruik te maken van onze technologie en bijbehorende empirische modellen voor batterijprestaties en levensduur, andere onderzoekers zullen in staat zijn om snel de gereedheid te evalueren van elk onderdeel dat in de batterij gaat, van het membraan naar de ladingopslagmaterialen. Dit zou zowel onderzoekers als productontwikkelaars tijd en middelen moeten besparen."

De meeste soorten batterijen hebben sterk alkalische (of basische) elektroden:een positief geladen kathode aan één kant, en een negatief geladen anode aan de andere kant. Maar de huidige state-of-the-art membranen zijn ontworpen voor zure chemie, zoals de gefluoreerde membranen in brandstofcellen, maar niet voor alkaline flow-batterijen. (In de chemie, pH is een maat voor de waterstofionenconcentratie van een oplossing. Zuiver water heeft een pH van 7 en wordt als neutraal beschouwd. Zure oplossingen hebben een hoge concentratie aan waterstofionen, en worden beschreven als hebbende een lage pH, of een pH lager dan 7. Aan de andere kant, alkalische oplossingen hebben lage concentraties waterstofionen en hebben daarom een ​​hoge pH, of een pH hoger dan 7. In alkalinebatterijen, de pH kan oplopen tot 14 of 15.)

Gefluoreerde polymeermembranen zijn ook duur. Volgens Helmers ze kunnen 15% tot 20% van de kosten van de batterij uitmaken, die kan lopen in het bereik van $ 300/kWh.

Een manier om de kosten van flowbatterijen te verlagen, is door de membranen van gefluoreerd polymeer helemaal te elimineren en een goed presterend maar goedkoper alternatief te bedenken, zoals AquaPIM's, zei Miranda Baran, een afgestudeerde student-onderzoeker in de onderzoeksgroep van Helms en de hoofdauteur van de studie. Baran is ook een Ph.D. student in de afdeling Scheikunde aan UC Berkeley.

Terug naar de basis

Helms en co-auteurs ontdekten de AquaPIM-technologie - wat staat voor "aqueous-compatible polymers of intrinsiek microporosity" - terwijl ze polymeermembranen ontwikkelden voor waterige alkalische (of basische) systemen als onderdeel van een samenwerking met co-auteur Yet-Ming Chiang, een hoofdonderzoeker bij JCESR en Kyocera Professor of Materials Science and Engineering aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Door deze vroege experimenten, de onderzoekers ontdekten dat membranen die zijn gemodificeerd met een exotische chemische stof, een 'amidoxim' genaamd, ervoor zorgden dat ionen snel tussen de anode en kathode konden reizen.

Later, terwijl de prestaties van het AquaPIM-membraan en de compatibiliteit met verschillende soorten batterijen worden geëvalueerd, bijvoorbeeld een experimentele opstelling gebruikte zink als anode en een op ijzer gebaseerde verbinding als kathode - de onderzoekers ontdekten dat AquaPIM-membranen leiden tot opmerkelijk stabiele alkalische cellen.

In aanvulling, ze ontdekten dat de AquaPIM-prototypes de integriteit van de ladingopslagmaterialen in de kathode en in de anode behielden. Toen de onderzoekers de membranen karakteriseerden bij Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS), de onderzoekers ontdekten dat deze kenmerken universeel waren in AquaPIM-varianten.

Baran en haar medewerkers testten vervolgens hoe een AquaPIM-membraan zou presteren met een waterige alkalische elektrolyt. In dit experiment, ontdekten ze dat onder alkalische omstandigheden, polymeergebonden amidoximen zijn stabiel - een verrassend resultaat gezien het feit dat organische materialen doorgaans niet stabiel zijn bij een hoge pH.

Een dergelijke stabiliteit verhinderde dat de poriën van het AquaPIM-membraan instortten, waardoor ze geleidend blijven zonder enig prestatieverlies in de loop van de tijd, overwegende dat de poriën van een commercieel fluorpolymeermembraan zoals verwacht instortten, ten koste van zijn ionentransporteigenschappen, Helms uitgelegd.

Dit gedrag werd verder bevestigd met theoretische studies van Artem Baskin, een postdoctoraal onderzoeker die samenwerkt met David Prendergast, die de waarnemend directeur is van Berkeley Lab's Molecular Foundry en een hoofdonderzoeker in JCESR samen met Chiang en Helms.

Baskin simuleerde structuren van AquaPIM-membranen met behulp van computerbronnen in het National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) van Berkeley Lab en ontdekte dat de structuur van de polymeren waaruit het membraan bestaat, aanzienlijk resistent waren tegen het instorten van de poriën onder zeer basische omstandigheden in alkalische elektrolyten.

Een schermtest voor betere batterijen

Bij het evalueren van de prestaties van het AquaPIM-membraan en de compatibiliteit met verschillende soorten accu's, de onderzoekers ontwikkelden een model dat de prestaties van de batterij koppelde aan de prestaties van verschillende membranen. Dit model zou de levensduur en efficiëntie van een flow-batterij kunnen voorspellen zonder een heel apparaat te hoeven bouwen. Ze toonden ook aan dat vergelijkbare modellen kunnen worden toegepast op andere batterijchemie en hun membranen.

"Typisch, je zou weken, zo niet maanden moeten wachten om erachter te komen hoe lang een batterij meegaat nadat de hele cel is gemonteerd. Door gebruik te maken van een eenvoudig en snel membraanscherm, je zou dat kunnen terugbrengen tot een paar uur of dagen, ' zei Helmes.

De onderzoekers zijn vervolgens van plan om AquaPIM-membranen toe te passen op een breder bereik van waterige stroombatterijchemie, van metalen en anorganische stoffen tot organische stoffen en polymeren. Ze verwachten ook dat deze membranen compatibel zijn met andere waterige alkalische zinkbatterijen, inclusief batterijen die ofwel zuurstof, mangaanoxide, of metaal-organische raamwerken als de kathode.

Onderzoekers van Berkeley Lab, UC Berkeley, Massachusetts Institute of Technology, en Istituto Italiano di Tecnologia namen deel aan het onderzoek.