Chinon: het goedkope molecuul dat batterijen zonder metaal moet maken
Een chinon (in het Engels 'quinone') is een relatief eenvoudig organisch molecuul dat van nature voorkomt in planten, schimmels en zelfs in ons eigen lichaam, bijvoorbeeld in vitamine K. Scheikundig gezien is het een ring van koolstofatomen met twee zuurstofatomen die als een soort elektronen-opslagplekjes fungeren. Dat klinkt technisch, maar het belangrijkste is dit: een chinon kan heel gemakkelijk en herhaaldelijk elektronen opnemen en weer afgeven, zonder daarbij kapot te gaan. Precies dat eigenschapje maakt het molecuul de laatste jaren interessant voor iets heel anders dan de scheikundeles: grootschalige opslag van stroom uit zon en wind.
Vergelijk het met een spons die water kan opnemen en weer uitknijpen, honderden keren achter elkaar, zonder te verslijten. Een chinon doet dat met elektrische lading in plaats van water. Onderzoekers gebruiken deze eigenschap in zogeheten flowbatterijen: grote vaten met vloeistof waarin chinonen zijn opgelost, die stroom kunnen opslaan en weer afgeven wanneer het net dat nodig heeft. Omdat chinonen gemaakt kunnen worden uit goedkope, veelvoorkomende grondstoffen in plaats van zeldzame metalen, zien veel onderzoekers ze als een kansrijk alternatief voor de dure batterijtechnieken die nu de norm zijn.
Wat is het precies?
Een chinon ontstaat wanneer je een aromatische ring — een stabiele zeshoekige koolstofring zoals in benzeen — verandert door er twee zuurstofatomen aan toe te voegen op tegenover elkaar liggende posities. Die zuurstofatomen vormen zogeheten carbonylgroepen (C=O), vergelijkbaar met de zuurstofbinding in een ketonmolecuul. Bekende voorbeelden zijn benzochinon (de simpelste variant), naftochinon en antrachinon, die je kunt zien als steeds grotere versies van hetzelfde basisidee met meer aaneengeschakelde ringen.
Het bijzondere aan deze structuur is de omkeerbare reactie met zogeheten hydrochinonen. Als een chinon twee elektronen én twee waterstofionen (protonen) opneemt, verandert het in een hydrochinon. Geef je die elektronen en protonen er weer af, dan krijg je het oorspronkelijke chinon terug. Deze heen-en-weer-reactie kost weinig energie om te laten verlopen en gebeurt razendsnel, wat het molecuul geschikt maakt als 'elektronendrager' in een batterij.
In een organische flowbatterij wordt deze eigenschap praktisch gemaakt door chinonen op te lossen in water, vaak nadat er een zogeheten sulfonaatgroep (een zwavelhoudend staartje) aan is vastgeplakt om de oplosbaarheid te vergroten. Er ontstaan dan twee vloeistoftanks: één met een chinon-oplossing aan de negatieve kant van de batterij en één met een andere redox-actieve stof aan de positieve kant, bijvoorbeeld broom of een ander organisch molecuul. Pompen laten de vloeistoffen langs een membraan stromen, waar de elektronenuitwisseling plaatsvindt en er stroom wordt op- of ontladen. Hoe meer vloeistof, hoe meer energie er past — de opslagcapaciteit is dus simpelweg een kwestie van grotere tanks bouwen, los van het vermogen van de batterij zelf.
Wat wil men ermee bereiken?
Het net met zonne- en windstroom stabiel houden vergt opslag die niet alleen krachtig is, maar ook lang kan volhouden: acht, twaalf of soms zelfs tientallen uren achter elkaar stroom leveren wanneer er weinig zon of wind is. Lithium-ionbatterijen, zoals we die uit elektrische auto's kennen, zijn hiervoor relatief duur naarmate de opslagduur toeneemt, en ze bevatten grondstoffen als kobalt en lithium waarvan de winning en levering onder druk staan.
De gevestigde flowbatterij-technologie, gebaseerd op het metaal vanadium, lost het duur-probleem deels op omdat de kosten wél schalen met de tankgrootte in plaats van met dure batterijcellen. Maar vanadium is zelf ook prijzig en de wereldwijde productie zit geconcentreerd bij een klein aantal landen, vooral China en Rusland, wat leveringsrisico's met zich meebrengt.
Chinonen zijn in potentie een uitweg: ze kunnen synthetisch worden gemaakt uit aardolie- of biomassa-afgeleide grondstoffen die overal beschikbaar zijn, zijn niet ontvlambaar in waterige oplossing, en zijn in de basis niet giftig voor het milieu — al hangt dat af van de precieze variant. Het doel is dus een flowbatterij die goedkoop genoeg is om zonnestroom over meerdere dagen te bufferen, zonder afhankelijk te zijn van schaarse metalen.
Voorbeelden uit de praktijk
Het onderzoeksgroep van Michael Aziz en Roy Gordon aan Harvard University publiceerde in 2014 in het tijdschrift Nature een van de eerste werkende chinon-flowbatterijen, waarbij een wateroplosbaar antrachinon (AQDS) werd gecombineerd met broom. Dit werd gezien als een doorbraak omdat het liet zien dat een organisch molecuul net zo goed elektronen kon transporteren als een metaal.
Diezelfde groep volgde in 2016, gepubliceerd in Science, met een 'alkalische' variant die minder corrosieve en veiligere chemicaliën gebruikte, wat de levensduur van de onderdelen ten goede kwam.
In Duitsland ontstond het bedrijf Jena Batteries GmbH, een spin-off van de Friedrich-Schiller-Universität Jena, dat sindsdien werkt aan opschaling van organische flowbatterijen richting commerciële proefinstallaties.
In de Verenigde Staten richtten voormalige Harvard-onderzoekers het bedrijf Quino Energy op, dat chinon-gebaseerde flowbatterijen ontwikkelt voor netstabilisatie en inmiddels pilotprojecten test in samenwerking met Amerikaanse energiebedrijven.
Ook aan de University of Southern California, onder leiding van onderzoeker Sri Narayan, loopt al langer onderzoek naar chinon-varianten die specifiek gericht zijn op langere opslagduur tegen lagere materiaalkosten.
Hoe ver is de techniek?
Chinon-flowbatterijen hebben de stap van laboratoriumopstelling naar kleinschalige demonstratie- en pilotinstallaties inmiddels gezet, maar staan nog niet op het niveau van grootschalige, commercieel bewezen implementatie zoals vanadium-flowbatterijen dat langzaam wel bereiken. De belangrijkste horde is chemische stabiliteit: bij herhaald op- en ontladen kunnen chinon-moleculen langzaam afbreken of ongewenste bijreacties aangaan, waardoor de capaciteit van de batterij over maanden tot jaren geleidelijk afneemt. Onderzoekers werken aan chemische aanpassingen — bijvoorbeeld andere zijgroepen aan het molecuul — om die afbraak te vertragen.
Een tweede uitdaging is het membraan tussen de twee vloeistoftanks, dat ionen moet doorlaten maar de actieve moleculen strikt gescheiden moet houden. Lekkage hierdoor ('crossover') vermindert het rendement en de levensduur van de batterij. Er wordt gewerkt aan goedkopere en beter afgestemde membranen, deels afkomstig uit de brandstofceltechnologie.
Kostenramingen uit onderzoekspublicaties suggereren dat organische flowbatterijen op termijn goedkoper per opgeslagen kilowattuur kunnen worden dan vanadium-varianten, vooral bij opslagduren van tien uur of langer, maar dit is nog niet onafhankelijk bevestigd op commerciële schaal. Het is dus reëel om te zeggen dat de techniek veelbelovend is, maar dat brede uitrol op het elektriciteitsnet op zijn vroegst over enkele jaren te verwachten is, en afhankelijk blijft van doorbraken in moleculaire stabiliteit.
Wie werken eraan?
De Verenigde Staten vormen momenteel het zwaartepunt van chinon-flowbatterijonderzoek, met Harvard University als vroege pionier en bedrijven als Quino Energy die de stap naar toepassing zetten. Het Amerikaanse ministerie van Energie financiert dit soort onderzoek onder meer via het programma ARPA-E, dat gericht is op risicovolle maar potentieel baanbrekende energietechnologie, en via nationale laboratoria zoals Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), dat breder onderzoek doet naar flowbatterijchemie.
In Europa is Duitsland actief met Jena Batteries GmbH en gerelateerd universitair onderzoek in Jena, terwijl ook andere Europese universiteiten binnen door de EU gefinancierde energieopslagprojecten aan organische redoxmoleculen werken. China investeert zwaar in flowbatterijtechnologie in het algemeen, vooral via de gevestigde vanadium-route, maar onderzoeksinstituten zoals het Dalian Institute of Chemical Physics verkennen ook organische alternatieven als onderdeel van bredere batterijstrategieën.
Het veld is nog relatief klein vergeleken met bijvoorbeeld lithium-ionbatterijonderzoek, en bestaat vooral uit academische groepen en een handvol gespecialiseerde start-ups, wat betekent dat de richting van de technologie de komende jaren nog sterk kan verschuiven afhankelijk van welke moleculen het beste blijken te presteren.