Recyclebare batterijen aan de horizon: organische elektrolyten vervangen door water

Water Batteries & Fire Safety

Al jarenlang zijn lithium‑ionbatterijen de dominante vorm van batterij op de markt, zowel voor elektronica als voor elektrische voertuigen. Dit komt door hun uitzonderlijke energiedichtheid en algemene veiligheid. Maar wanneer ze falen, gebeurt dat vaak spectaculair, met zeer intense branden die moeilijk te blussen zijn. Dit is ook een probleem wanneer de batterijen aan het einde van hun levensduur zijn en gerecycled moeten worden.

Een slechtste‑scenario is wanneer één batterijstoring een cascade van brand veroorzaakt op aangrenzende batterijen, een zeer reëel zorgpunt bij het bouwen van batterijparken met lithium‑ion voor grootschalige nutsvoorzieningssystemen. Het brandrisico in lithiumbatterijen komt voornamelijk voort uit de brandbare organische elektrolyten die worden gebruikt om de anode en kathode van de batterij te verbinden.

Onderzoekers van RMIT in Australië lijken een oplossing te hebben gevonden door de elektrolyten te vervangen door water. Het team wordt geleid door Prof. Tianyi Ma (links), die samen met Dr. Lingfeng Zhu (rechts) aan het project heeft gewerkt.

Bron: RMIT

De zogenaamde waterbatterijen, of waterige metaal‑ionbatterijen, kunnen geen brand veroorzaken of exploderen. Ze zijn ook zeer weinig toxisch voor zowel mensen als het milieu.

Water Battery Promises

Het ontwerp van waterbatterijen berust op eenvoudige elementen zoals zink en magnesium, die overvloedig en weinig toxisch zijn, waardoor de productiekosten dalen en ze gemakkelijk op grote schaal kunnen worden geproduceerd.

In de praktijk betekent dit dat waterbatterijen in verschillende vormen kunnen voorkomen. Bijvoorbeeld in de vorm van een magnesium‑ionbatterij of  ammoniak‑ion.

En het team van Prof. Tianyi werkt eraan om deze batterijen commercieel levensvatbaar te maken door de details op te lossen die hun adoptie tot nu toe hebben belemmerd.

Een voorbeeld is de verbetering van een mangaan‑elektrode, waarbij condensatoren worden gecreëerd met magnesium en mangaan en een “een 128,39 Wh/kg met een ultra‑lange cyclische capaciteit, met 85 % capaciteitretentie na 6000 cycli”

De uitstekende elektrochemische eigenschappen, en de kritieke veiligheidsimplicaties van een waterig elektrolyt, maken dit waterige MIC veelbelovend voor grootschalige energieopslagtoepassingen. Bovendien zou de strategie van het concept van cation‑anion duale defectenconstructie essentiële inzichten moeten bieden bij het vervaardigen van oplaadbare metaal‑ionbatterijen.

Bron: Energy Storage Material

Solving Dendrites

Een ander probleem dat de meeste batterijen ondervinden, is de progressieve groei van dendrieten in de batterij. Dendrieten zijn stekelige metalen structuren die na verloop van tijd kortsluitingen kunnen veroorzaken (en brand in het geval van lithium‑ion). Waterbatterijen zijn ook kwetsbaar voor het probleem van dendrieten.

Door de metalen onderdelen van de batterij te coaten met bismut, ontstaat er een beschermende laag die de vorming van dendrieten blokkeert.

Dit maakt de nieuwe batterijen aanzienlijk duurzamer dan lithium‑ionbatterijen, waardoor ze geschikt zijn voor intensief gebruik zoals nutsvoorzieningsbatterijpakketten, of misschien zelfs commerciële voertuigen. Vooral omdat ze veel veiliger zijn, vormen ze een goede kandidaat om het aanbod van alternatieve chemieën ten opzichte van lithium‑ion uit te breiden, met name voor nutsvoorzieningen (iets wat we verder hebben onderzocht in ons artikel “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech”, inclusief welke bedrijven werken aan commerciële productie).

“Magnesium‑ion waterbatterijen hebben de potentie om lood‑zuur batterijen op korte termijn te vervangen – binnen één tot drie jaar – en om mogelijk lithium‑ion batterijen op lange termijn te vervangen, 5 tot 10 jaar vanaf nu.”

Pr Tianyi Ma

Are Water Batteries the Way Forward?

Utility‑scale batterijen zullen waarschijnlijk radicaal verschillen van EV‑batterijen, omdat de twee niet onder dezelfde beperkingen opereren:

• EV‑batterijen moeten licht en klein zijn, zeer energiedicht, en snel opladen.
• Nutsvoorzieningsbatterijen moeten goedkoop, zeer duurzaam, stabiel/veilig zijn, en afhankelijk van overvloedige materialen die in enorme hoeveelheden verkrijgbaar zijn.

En zelfs op het gebied van nutsvoorzieningsbatterijen zullen verschillende chemieën waarschijnlijk jarenlang, zo niet decennialang, de markt delen.

Dit komt doordat elk zijn eigen voordelen en toepassingsgebieden heeft, zoals verschillende tijdschema’s, energie opslaan voor de nacht‑/dag‑cyclus of voor weken.

En omdat massale adoptie van hernieuwbare energie in elk geval massale adoptie van batterijen betekent, zal diversificatie van materialen een prijsschok op metalen voorkomen die niet zeldzaam zijn, maar ook niet in enorme overaanbod, zoals:

• Zink (zinkbatterijen)
• Magnesium (magnesium‑ion)
• Mangaan (metaal‑waterstofbatterijen)
• Vanadium (redox‑flowbatterijen)
• Antimoon (gesmolten metalen batterijen)
• Zwavel (natrium‑zwavelbatterijen)

Er zijn momenteel geen bedrijven die werken aan het op de markt brengen van magnesium‑ionbatterijen. Maar dit kan binnenkort veranderen, gezien de verschillende andere chemische combinaties die naar massaproductie toe werken.