Onderzoekers van de Australische Flinders University hebben een watergebaseerde zink-jodiumbatterij ontwikkeld die volgens laboratoriumtests meer dan 60.000 laad- en ontlaadcycli kan doorstaan. Een polymeer op basis van cyclodextrine, afkomstig uit zetmeel, voorkomt daarbij een belangrijk probleem van dit type batterij.
Langere levensduur
De onderzoekers zochten naar een oplossing voor een bekend probleem bij zink-jodiumbatterijen. Tijdens het laden en ontladen ontstaan polyjodideverbindingen. Die kunnen zich door de batterij verplaatsen, een verschijnsel dat bekendstaat als het shuttle-effect. Daardoor neemt de capaciteit af en wordt de levensduur van de batterij beperkt.
De Australische onderzoekers gebruiken daarom een speciaal polymeer op basis van cyclodextrine. Dit materiaal werkt als een soort moleculaire kooi waarin de polyjodide-ionen worden vastgehouden. Daardoor kunnen ze wel deelnemen aan de chemische reacties die energie opslaan en afgeven, maar zich minder gemakkelijk door de batterij verplaatsen.
Cyclodextrines zijn bijzondere suikermoleculen die via een enzymatisch proces uit zetmeel kunnen worden gemaakt. Ze worden al toegepast in onder meer de voedingsmiddelen-, farmaceutische en cosmetische industrie. Het onderzoek maakt dus gebruik van een materiaal dat uit een relatief goedkoop en biologisch afbreekbaar grondstof kan worden geproduceerd.
60.000 cycli
De resultaten zijn opvallend. In een van de tests leverde de batterij een capaciteit van ongeveer 149 mAh/g en bleef die capaciteit vrijwel gelijk gedurende meer dan 60.000 laad- en ontlaadcycli. Na die 60.000 cycli was nog ongeveer 148 mAh/g beschikbaar. De onderzoekers rapporteren daarbij een capaciteitsverlies van slechts circa 0,0001 procent per cyclus.
Ook bij een andere configuratie, waarbij de batterij meer energie per cyclus kan opslaan, werd een levensduur van meer dan 60.000 cycli vastgesteld. Daar lag het capaciteitsverlies per cyclus tussen ongeveer 0,0001 en 0,0003 procent, afhankelijk van de gebruikte opslagmethode.
De batterij werkt met een waterige elektrolyt en heeft in de beschreven configuratie een spanning van ongeveer 1,3 tot 1,4 volt. Bij een volledige laadbeurt van ongeveer zeven minuten werd een capaciteit van circa 200 mAh/g gedurende meer dan 8000 cycli gehaald. Bij een laadtijd van ongeveer drie minuten werd ruim 60.000 cycli gehaald, met een capaciteit van ongeveer 150 mAh/g.
Geen vervanger voor lithium-ion
De resultaten betekenen niet dat smartphones, laptops of elektrische auto's binnenkort een zink-jodiumbatterij krijgen. De onderzoekers richten zich vooral op grootschalige energieopslag. Daarbij zijn eigenschappen als veiligheid, prijs, beschikbaarheid van grondstoffen en een lange levensduur belangrijker dan een zo hoog mogelijke energiedichtheid.
Een watergebaseerde batterij heeft bovendien een duidelijk nadeel ten opzichte van lithium-ion. De spanning is veel lager dan bij een gangbare lithium-ioncel. Daardoor is deze technologie minder geschikt voor toepassingen waarbij veel energie in een klein en licht batterijpakket moet worden opgeslagen.
Voor stationaire opslag kan dat verschil echter minder belangrijk zijn. Denk bijvoorbeeld aan het opslaan van elektriciteit uit zonnepanelen of windmolens. Een batterij die tienduizenden cycli kan doorstaan en gebruikmaakt van relatief goedkope materialen kan daar interessant zijn.
Zink in plaats van lithium
Een ander voordeel is het gebruik van zink. Zink is relatief goedkoop en op grote schaal beschikbaar. Voor Australië is dat extra interessant: het land beschikt volgens Flinders University over een aanzienlijk deel van de bekende wereldwijde zinkvoorraden. De onderzoekers zien daarom mogelijkheden om zink te gebruiken voor energieopslag die minder afhankelijk is van de grondstoffen en productieketens rond lithium-ionbatterijen.
Ook veiligheid speelt een rol. De gebruikte elektrolyt is watergebaseerd, terwijl lithium-ionbatterijen doorgaans gebruikmaken van brandbare organische elektrolyten. Voor grote batterijopslagsystemen kan een minder brandbare technologie daarom aantrekkelijk zijn.
Nog geen commercieel product
De 60.000 cycli moeten wel in de juiste context worden geplaatst. Het gaat om laboratoriumtests met experimentele batterijcellen en niet om een commercieel verkrijgbare batterij die inmiddels 60.000 keer kan worden opgeladen. De prestaties van kleine laboratoriumcellen kunnen bovendien verschillen van die van grote batterijsystemen.
De onderzoekers zijn zich daar ook van bewust. Flinders University meldt dat het team samen met industriële partners werkt aan een platform voor het maken van prototypes van deze technologie voor grootschalige energieopslag.
Er zijn bovendien nog technische uitdagingen. Zo werd na langdurig testen enige corrosie van de zinkanode vastgesteld. De onderzoekers zien dat als een probleem dat bij verdere ontwikkeling moet worden aangepakt. Ook moeten de prestaties nog worden onderzocht in grotere cellen en onder omstandigheden die dichter bij praktisch gebruik liggen.
Wetenschappelijk onderzoek
Het onderzoek is uitgevoerd door wetenschappers van Flinders University en gepubliceerd in Angewandte Chemie International Edition. Het artikel heet “Caging Polyhalide Anions in Polycyclodextrin for Long-Lasting Aqueous Zinc-Iodine Batteries”.
De resultaten laten vooral zien dat de levensduur van watergebaseerde zink-jodiumbatterijen sterk kan worden verbeterd door de polyjodideverbindingen in een polymeerstructuur vast te houden. De combinatie van zink, jodium, water en een uit zetmeel afgeleid materiaal maakt de technologie interessant voor verder onderzoek naar grootschalige energieopslag. Maar voordat dergelijke batterijen daadwerkelijk op grote schaal worden ingezet, zijn nog prototypes en praktijktests nodig.