Zink-luchtbatterij: energie opslaan met metaal en gewone lucht
Een zink-luchtbatterij is een type batterij dat voor een deel van zijn energie gebruikmaakt van zuurstof uit de omringende lucht, in plaats van alle actieve stoffen zelf mee te dragen. Aan de ene kant zit een elektrode van zinkmetaal, aan de andere kant zit geen vast materiaal maar een poreus laagje dat lucht doorlaat en zuurstof uit de atmosfeer gebruikt als reactiestof. Omdat je die zuurstof niet zelf hoeft in te pakken, kan er relatief veel energie in een klein en licht pakketje passen.
Een bekende, alledaagse toepassing zijn de knoopcelletjes in gehoorapparaten: die hebben aan de achterkant een sticker die je verwijdert, waarna er lucht bij de batterij kan en hij begint te werken. Diezelfde basisidee wordt nu ook onderzocht voor veel grotere toepassingen, zoals het opslaan van zonne- en windenergie voor het elektriciteitsnet. Het grote verschil is dat een gehoorapparaatbatterij maar één keer wordt gebruikt en dan wordt weggegooid, terwijl onderzoekers en bedrijven werken aan oplaadbare versies die duizenden keren mee moeten kunnen.
Wat is het precies?
In elke batterij lopen twee reacties tegelijk: aan de ene elektrode (de min-pool, negatief) wordt een stof geoxideerd, waarbij elektronen vrijkomen; aan de andere elektrode (de plus-pool, positief) wordt een stof gereduceerd, waarbij die elektronen weer worden opgenomen. De stroom die je gebruikt, is niets anders dan die elektronen die via een draad van de ene naar de andere elektrode lopen.
Bij een zink-luchtbatterij is de min-pool een stuk zinkmetaal. Tijdens het gebruik (ontladen) staat het zink elektronen af en lost het gedeeltelijk op in de elektrolyt, een geleidende vloeistof die meestal uit kaliumhydroxide bestaat (een basische, bijtende oplossing die ionen laat stromen). Aan de plus-kant zit geen apart stuk metaal, maar een dunne, poreuze koolstofelektrode met een katalysator, vaak op basis van mangaanoxide. Daar wordt zuurstof uit de lucht die door het poreuze materiaal naar binnen diffundeert, omgezet en verbruikt.
Dat laatste is de kern van het idee: de plus-elektrode hoeft zelf geen zware, opgeslagen reactiestof te bevatten, want de "brandstof" komt gewoon uit de buitenlucht binnenwaaien. Daardoor kan een zink-luchtbatterij in theorie veel meer energie per kilogram opslaan dan bijvoorbeeld een lithium-ionbatterij, waarin alle reactiestoffen wél fysiek aanwezig moeten zijn.
Het lastige punt zit in het opladen. Om een zink-luchtbatterij weer op te laden, moet de reactie aan de luchtelektrode worden omgekeerd: in plaats van zuurstof te verbruiken, moet er juist weer zuurstof worden geproduceerd en de lucht in geduwd. Dat vraagt een andere katalysator dan bij het ontladen, en de twee processen tast hetzelfde dunne elektrodemateriaal in de loop van de tijd aan. Ook aan de zinkkant ontstaan bij herhaald op- en ontladen problemen: het metaal kan in naaldvormige structuren gaan groeien (dendrieten genoemd) die uiteindelijk een kortsluiting kunnen veroorzaken, of het oppervlak verandert steeds van vorm, waardoor de capaciteit afneemt. Veel van het huidige onderzoek en de bedrijfsmatige ontwikkeling draait om precies deze twee knelpunten: een luchtelektrode die zowel goed kan opladen als ontladen (een zogeheten bifunctionele katalysator), en een zinkelektrode die netjes en gelijkmatig blijft groeien en krimpen.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is goedkope, veilige opslag van elektriciteit voor langere tijd, iets wat hard nodig is naarmate er meer zonne- en windenergie op het net komt. Die bronnen leveren niet altijd stroom wanneer die nodig is, dus moet overtollige energie op zonnige of winderige momenten worden opgeslagen voor gebruik op momenten dat het bewolkt of windstil is.
Zink is een van de meest voorkomende metalen op aarde, veel goedkoper dan lithium of kobalt, en de elektrolyt is een waterige oplossing in plaats van de brandbare, organische vloeistoffen die in lithium-ionbatterijen zitten. Dat maakt zink-luchtbatterijen in theorie inherent veiliger: er is minder risico op brand of thermisch weglopen (een kettingreactie van oververhitting die tot brand of explosie kan leiden, zoals bij sommige lithium-ionbatterijen kan gebeuren).
Het doel is dus niet zozeer om lithium-ionbatterijen te vervangen in telefoons of elektrische auto's, waar compactheid en hoog vermogen cruciaal zijn, maar vooral om een goedkoop en veilig alternatief te bieden voor stationaire opslag: grote batterijcontainers naast zonneparken, windparken of onderstations, die energie uren tot dagen kunnen vasthouden tegen lagere kosten per opgeslagen kilowattuur dan lithium-ion.
Voorbeelden uit de praktijk
Het Amerikaanse bedrijf NantEnergy (voorheen Fluidic Energy) installeerde vanaf ongeveer 2014 duizenden zink-luchtsystemen voor lokale, off-grid stroomvoorziening in landen als Indonesië en op verschillende plekken in Afrika, vaak in combinatie met zonnepanelen voor dorpen zonder betrouwbaar elektriciteitsnet. Het bedrijf presenteerde dit destijds ook als opstap naar grotere netopslag, al is niet met zekerheid te zeggen hoe de commerciële activiteiten zich de laatste jaren precies hebben ontwikkeld.
Het Canadese Zinc8 Energy Solutions ontwikkelt een variant waarbij de zinkdeeltjes en de elektrolyt worden rondgepompt, vergelijkbaar met een zogeheten flowbatterij (een batterij waarbij de energiedragende vloeistoffen apart worden opgeslagen en door de cel gepompt). Het bedrijf test dit soort systemen onder meer in een pilotproject bij energiebedrijf Con Edison in New York, gericht op meerdaagse opslag voor het net.
Een ander Canadees bedrijf, e-Zinc, werkt aan een statische (niet-pompende) oplaadbare zink-luchtbatterij en heeft proefinstallaties draaien bij Canadese nutsbedrijven, met als doel industriële en commerciële gebruikers dagen aan back-upstroom te bieden.
Daarnaast onderzoeken universiteiten en onderzoeksinstituten wereldwijd, waaronder het Duitse Fraunhofer-instituut en verschillende Amerikaanse nationale laboratoria, nieuwe katalysatoren en elektrolytsamenstellingen om de cyclusduur (het aantal keren op- en ontladen voordat de batterij te veel capaciteit verliest) te verbeteren. Dit soort fundamenteel onderzoek vormt de basis waarop de genoemde bedrijven voortbouwen.
Hoe ver is de techniek?
Niet-oplaadbare zink-luchtbatterijen zijn al decennialang volwassen technologie: de knoopcellen in gehoorapparaten worden al sinds de jaren tachtig op grote schaal gemaakt en zijn betrouwbaar en goedkoop. Dat deel van de technologie is dus geen experiment meer.
Oplaadbare, grootschalige zink-luchtbatterijen voor het elektriciteitsnet bevinden zich echter nog in een vroege tot middelvroege ontwikkelfase. Er zijn wel degelijk werkende pilotinstallaties, zoals hierboven genoemd, maar op de schaal van complete, commercieel breed uitgerolde energiecentrales zijn ze er nog niet. De belangrijkste technische obstakels blijven de beperkte levensduur (aantal laadcycli) in vergelijking met lithium-ion, het efficiëntieverlies doordat opladen en ontladen niet even soepel verlopen, en de nog relatief lage energiedichtheid die in de praktijk wordt gehaald ten opzichte van de theoretische belofte.
Voortgang wordt vooral geboekt in kleine, geleidelijke stappen: iets betere katalysatoren, iets langere levensduur in laboratoriumtests, iets grotere pilotprojecten. Een doorbraak die de technologie in één klap grootschalig concurrerend maakt met lithium-ion is tot nu toe niet opgetreden, en het is onzeker of en wanneer dat gebeurt. Sommige eerdere pogingen om zink-luchtbatterijen commercieel op te schalen zijn ook vertraagd of teruggeschroefd, wat laat zien dat de weg van laboratorium naar grootschalige toepassing niet vanzelfsprekend is.
Wie werken eraan?
Naast de al genoemde bedrijven NantEnergy, Zinc8 Energy Solutions en e-Zinc houden ook diverse andere partijen zich met verwante metaal-luchttechnologie bezig, al gebruiken niet alle van hen exact dezelfde chemie. Onderzoeksgroepen aan universiteiten in onder meer de Verenigde Staten, Canada, Duitsland, China en Australië publiceren regelmatig over nieuwe elektrodematerialen en katalysatoren voor metaal-luchtbatterijen in vakbladen op het gebied van elektrochemie en materiaalkunde.
Op instellingsniveau zijn Amerikaanse nationale laboratoria zoals het Pacific Northwest National Laboratory actief betrokken bij onderzoek naar opslagtechnologie voor het net, waarbinnen ook metaal-luchtchemie wordt bestudeerd, vaak met steun van het Amerikaanse ministerie van Energie. In Europa doet onder andere het Fraunhofer-instituut in Duitsland onderzoek naar batterijchemie inclusief zink-lucht-systemen. Canada is opvallend actief dankzij de aanwezigheid van zowel Zinc8 als e-Zinc, deels gesteund door Canadese innovatieprogramma's en samenwerkingen met lokale nutsbedrijven.