Wetenschappers ontwikkelen nieuwe techniek voor grootschalige energieopslag

De verkoop van elektrische voertuigen (EV’s) is de afgelopen jaren exponentieel gegroeid, evenals de behoefte aan hernieuwbare energiebronnen om ze van stroom te voorzien, zoals zon en wind. Volgens het International Energy Agency (IEA) waren er in 2020 bijna 1,8 miljoen geregistreerde elektrische voertuigen in de VS, wat meer dan drie keer zoveel is in 2016.

Elektrische voertuigen vereisen dat stroom altijd en overal beschikbaar is, zonder vertragingen bij het opladen, maar zonne- en windenergie zijn intermitterende energiebronnen die niet op aanvraag beschikbaar zijn. En de elektriciteit die ze wel opwekken, moet worden opgeslagen voor later gebruik en niet verloren gaan. Dat is waar Dr. Yu Zhu, een professor aan de UA’s School of Polymer Science and Polymer Engineering, en zijn onderzoeksteam binnenkomen, door een stabielere manier te ontwikkelen om deze belangrijke energie op te slaan.

Net als het tankstation van vandaag, hebben elektriciteitscentrales een opslagsysteem nodig om de elektriciteit voor EV constant op te laden. Goedkope, schaalbare redoxflow-batterijen (RFB) behoren tot de meest geschikte technologie voor een dergelijk systeem; de huidige RFB’s gebruiken echter dure en milieugevaarlijke actieve materialen (elektrolyten). Onlangs zijn in water oplosbare organische materialen voorgesteld als toekomstige elektrolyten in de RFB’s (namelijk waterige organische RFB’s of AORFB’s). Organische elektrolyten kunnen worden verkregen uit hernieuwbare bronnen en tegen zeer lage kosten worden geproduceerd. Het ontbreken van stabiele in water oplosbare organische elektrolytmaterialen, met name de positieve elektrolyt (katholyt), is echter een grote hindernis van AORFB’s.

Zhu’s onderzoeksgroep, in samenwerking met wetenschappers van het Pacific Northwestern National Laboratory onder leiding van Dr. Wei Wang, heeft met succes de meest stabiele katholiet (positieve elektrolyt) tot nu toe ontwikkeld in AORFB’s en heeft cellen gedemonstreerd die meer dan 90 procent van de capaciteit behielden gedurende 6000 cycli. meer dan 16 jaar ononderbroken dienst met een snelheid van één cyclus per dag. Hun onderzoek is onlangs gepubliceerd in Natuur Energie en inclusief bijdragen van Zhu’s promovendi Xiang Li en Yun-Yu Lai.

“De ontwikkeling van hoogwaardige RFB’s zal de categorie van elektriciteitsopslagsystemen verrijken en de tekortkomingen van intermitterende hernieuwbare energiebronnen aanvullen, waardoor de bruikbaarheid van op elektriciteit aangedreven faciliteiten, zoals voertuigen, grotendeels wordt verbeterd”, zegt Zhu. “Om de prestaties van waterige organische RFB’s aanzienlijk te verbeteren, is de urgentie van het ontwikkelen van nieuwe katholieten cruciaal.”

In de Natuur Energie papier demonstreerde het team niet alleen een ultramoderne katholiet in AORFB’s, maar bood het ook een geheel nieuwe strategie om in water oplosbare katholieten te ontwerpen om hun oplosbaarheid (energiedichtheid) in water te verbeteren. In plaats van een hydrofiele functionele groep aan te brengen om de oplosbaarheid van de moleculen te verbeteren, veranderen de onderzoekers de symmetrie van moleculen, wat resulteert in een dramatische verbetering van de oplosbaarheid. Met de nieuwe ontwerpstrategie is het team van plan om nieuwe materialen te ontwerpen waarmee ze de RFB’s verder kunnen ontwikkelen.

Op basis van de in dit onderzoek ontwikkelde technologie is een octrooiaanvraag ingediend. De schaalbaarheid van de materialen zal verder worden bestudeerd in Akron PolyEnergy Inc., een spin-outbedrijf van UA dat mede is opgericht door Zhu en dat zich richt op de ontwikkeling van materialen in energieopslagapparaten, waaronder lithium-ionbatterijen en flowbatterijen.