Organische elektrolytchemie: batterijen die niet op zeldzame metalen draaien
Elke oplaadbare batterij heeft drie hoofdonderdelen: twee elektroden (plus- en minpool) en daartussen een elektrolyt, de stof die geladen deeltjes (ionen) van de ene naar de andere elektrode laat stromen zodat er stroom kan lopen. Bij organische elektrolytchemie draait alles om het gebruik van koolstofhoudende, "organische" moleculen in dat elektrolyt, in plaats van bijvoorbeeld water of dure metalen zoals vanadium of kobalt. Denk aan het elektrolyt als de snelweg waarover lading reist: organische chemie levert het asfalt en soms zelfs de voertuigen zelf.
Dit klinkt misschien als een detail voor scheikundigen, maar het raakt de kern van de energietransitie. Willen we het elektriciteitsnet volstoppen met zonne- en windstroom, dan is grootschalige, betaalbare opslag nodig. De huidige generatie batterijen leunt zwaar op schaarse grondstoffen. Organische elektrolytchemie onderzoekt of we batterijen kunnen bouwen met moleculen die je grotendeels zelf kunt synthetiseren uit veelvoorkomende elementen als koolstof, waterstof, stikstof en zuurstof – in principe net zo goed beschikbaar als suiker of verf.
Wat is het precies?
In een gewone lithium-ionbatterij, zoals die in je telefoon of elektrische auto, bestaat het elektrolyt uit een lithiumzout (meestal LiPF6) opgelost in een mengsel van organische oplosmiddelen: ethyleencarbonaat, dimethylcarbonaat en soortgelijke stoffen. Deze vloeistoffen geleiden geen elektrische stroom rechtstreeks, maar laten wel lithium-ionen vrij bewegen. Water zou hier niet werken, omdat het al bij een relatief lage spanning uiteenvalt in waterstof en zuurstof; organische oplosmiddelen verdragen een veel hogere spanning, wat nodig is voor de energiedichtheid die we van moderne batterijen verwachten. Deze technologie is niet nieuw: Sony bracht in 1991 de eerste commerciële lithium-ionbatterij met zo'n organisch elektrolyt op de markt.
Een nieuwere en actievere onderzoekstak gaat een stap verder: hierbij zijn de organische moleculen niet alleen het "transportmedium", maar ook de stof die de lading daadwerkelijk vasthoudt en weer afgeeft (de zogeheten redox-actieve stof). Voorbeelden zijn quinonen (verwant aan stoffen die ook in planten voorkomen), TEMPO-moleculen (stabiele stikstofradicalen) en viologenen. Deze moleculen kunnen elektronen opnemen en weer afstaan, precies wat je nodig hebt om lading op te slaan, zonder dat er een zeldzaam metaal aan te pas komt.
Deze organische redox-moleculen worden vaak toegepast in zogeheten redox-flowbatterijen. Bij dit type batterij zit de energie niet vast in de elektroden zelf, maar opgelost in twee grote tanks met vloeistof die langs elkaar gepompt worden, gescheiden door een membraan. Wil je meer energie opslaan, dan maak je gewoon de tanks groter; wil je meer vermogen, dan vergroot je de pompcel. Die ontkoppeling maakt flowbatterijen aantrekkelijk voor langdurige opslag op het elektriciteitsnet, iets waar gewone lithium-ionpakketten minder geschikt voor zijn.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is onafhankelijkheid van schaarse en geopolitiek gevoelige grondstoffen. Vanadium, dat in de meest gangbare flowbatterijen wordt gebruikt, is duur en de winning ervan is geconcentreerd in een klein aantal landen, waaronder China en Rusland. Kobalt en nikkel in lithium-ionbatterijen kennen vergelijkbare problemen, plus zorgen over mijnbouwomstandigheden. Organische moleculen kun je in een chemische fabriek synthetiseren uit relatief goedkope grondstoffen, zonder mijnbouw.
Een tweede doel is veiligheid en duurzaamheid. Veel organische flowbatterijen zijn ontworpen om in water opgelost te werken in plaats van in brandbare organische oplosmiddelen, wat het brandgevaar sterk vermindert vergeleken met lithium-ionbatterijen. Sommige onderzoekers werken bovendien met moleculen afgeleid van lignine, een afvalproduct van de papierindustrie, wat een extra duurzaamheidsvoordeel oplevert.
Ten derde hoopt men op kostenreductie voor grootschalige, meerdaagse energieopslag op het net: het soort opslag dat nodig is om een dag zonder wind of zon te overbruggen. Flowbatterijen met organische chemie zouden hier goedkoper kunnen zijn dan lithium-ion, juist omdat energie (tankgrootte) en vermogen (celgrootte) los van elkaar schaalbaar zijn.
Voorbeelden uit de praktijk
Een van de invloedrijkste wetenschappelijke doorbraken kwam van de onderzoeksgroep van Michael Aziz en Roy Gordon aan Harvard University. In 2014 publiceerden zij in het tijdschrift Nature een metaalvrije, waterige flowbatterij op basis van quinonen, waarmee ze lieten zien dat organische moleculen een serieus alternatief konden zijn voor vanadium. Dit werk geldt als startpunt voor veel vervolgonderzoek wereldwijd.
In Duitsland ontstond hieruit onder meer CMBlu Energy, een bedrijf dat sinds de late jaren 2010 werkt aan een "organic flow"-technologie op basis van lignine-achtige, koolstofrijke redox-moleculen in een niet-brandbaar, waterig systeem. Het bedrijf heeft aangekondigd een productiefaciliteit in Duitsland te willen bouwen en test zijn technologie in pilotinstallaties bij industriële partners, gericht op langdurige netopslag.
Ook Jena Batteries GmbH, een spin-off verbonden aan de Friedrich-Schiller-Universität Jena, ontwikkelt een organische redox-flowbatterij op basis van TEMPO-achtige moleculen, voortbouwend op jarenlang academisch werk aan polymere en organische batterijmaterialen. Het bedrijf bevindt zich in de fase van demonstratie- en pilotprojecten, gericht op commercialisering.
Niet elk initiatief overleeft: het Franse Kemiwatt, opgericht in de vroege jaren 2010 op basis van onderzoek naar quinone-flowbatterijen, illustreert hoe moeilijk het is om deze chemie tegen concurrerende kosten op te schalen; het bedrijf heeft de afgelopen jaren te maken gehad met grote financiële problemen. Dit voorbeeld toont dat het pad van laboratorium naar markt allesbehalve gegarandeerd is.
Daarnaast blijft de "klassieke" organische elektrolytchemie in gewone lithium-ionbatterijen zich ontwikkelen: batterijfabrikanten sleutelen voortdurend aan additieven in de carbonaat-oplosmiddelen om celveroudering te vertragen en het risico op thermisch weglopen (oververhitting) te verkleinen.
Hoe ver is de techniek?
Het onderscheid tussen de twee sporen is belangrijk. Organische elektrolyten in gewone lithium-ionbatterijen zijn volwassen, wereldwijd gestandaardiseerde technologie die al meer dan drie decennia in miljarden apparaten en steeds meer elektrische voertuigen zit.
Organische redox-flowbatterijen daarentegen bevinden zich nog in de fase van demonstratieprojecten en eerste commerciële installaties, niet in grootschalige, bewezen uitrol. De belangrijkste technische obstakels zijn de chemische stabiliteit van de organische moleculen (ze kunnen na duizenden laad- en ontlaadcycli langzaam afbreken), de beperkte oplosbaarheid van sommige moleculen in water (wat de energiedichtheid beperkt) en de kosten om deze stoffen op industriële schaal te produceren tegen een prijs die kan concurreren met vanadium of lithium-ion. Onderzoekers melden gestaag voortgang op stabiliteit en oplosbaarheid, maar een doorbraak die de technologie in één klap marktrijp maakt, is er niet geweest. Realistisch gezien praat men over een tijdshorizon van meerdere jaren tot een decennium voordat organische flowbatterijen een substantieel aandeel van de netopslagmarkt kunnen innemen, en dat is allerminst zeker.
Wie werken eraan?
Academisch loopt de Verenigde Staten voorop dankzij het pionierswerk van Harvard University (Aziz en Gordon), aangevuld met onderzoek aan onder meer de University of Southern California. In Duitsland zijn zowel CMBlu Energy als Jena Batteries actief, met sterke banden naar universitair onderzoek (onder andere naar het werk van hoogleraar Ulrich S. Schubert op het gebied van organische en polymere batterijmaterialen). Frankrijk kende met Kemiwatt een vroege speler, voortgekomen uit onderzoek aan de Universiteit van Rennes.
Ook in China wordt intensief onderzoek gedaan naar waterige organische flowbatterijen, onder meer aan instituten die gelieerd zijn aan de Chinese Academie van Wetenschappen, al is hier doorgaans minder in detail bekend over commerciële voortgang dan bij Europese en Amerikaanse spelers. Op het niveau van gewone lithium-ionbatterijen zijn de grote Aziatische celfabrikanten (waaronder Zuid-Koreaanse, Japanse en Chinese bedrijven) de belangrijkste partijen die het organische elektrolyt continu verbeteren. In Europa wordt onderzoek naar organische en flowbatterijtechnologie mede gefinancierd via EU-programma's zoals Horizon Europe, gericht op minder grondstofafhankelijke energieopslag.