Zinkbatterij: kan zink lithium-ion beconcurreren voor stroomopslag?
Een zinkbatterij is een oplaadbare batterij waarin zink een van de twee elektroden vormt, meestal opgelost in een waterige (op water gebaseerde) elektrolyt in plaats van de brandbare vloeistoffen die in lithium-ionbatterijen zitten. Stel je een gewone alkalinebatterij voor zoals je die in een afstandsbediening stopt: die bevat ook zink, maar kan maar één keer gebruikt worden. Een zinkbatterij voor energieopslag is in feite een oplaadbare versie van dat principe, opgeschaald tot de grootte van een vrachtwagencontainer.
Het belangrijkste verkoopargument is niet dat zinkbatterijen krachtiger of compacter zijn dan lithium-ionbatterijen — dat zijn ze niet — maar dat ze veiliger en goedkoper kunnen zijn. Omdat de elektrolyt uit water bestaat in plaats van uit ontvlambare organische chemicaliën, kan een zinkbatterij niet spontaan in brand vliegen zoals lithium-ionpakketten soms doen. En omdat zink een van de meest voorkomende metalen op aarde is (denk aan verzinkt staal en batterijen voor gehoorapparaten), is de grondstof goedkoop en breed beschikbaar, zonder de geopolitieke gevoeligheden rond kobalt, nikkel of lithium.
Wat is het precies?
In elke batterij lopen elektronen tussen twee elektroden via een extern circuit, terwijl ionen door een elektrolyt tussen diezelfde elektroden bewegen. Bij een zinkbatterij is de negatieve elektrode (anode) altijd zink. Tijdens het ontladen lost het zinkmetaal op tot zinkionen, waarbij elektronen vrijkomen die als stroom door het circuit lopen. Tijdens het opladen wordt dat proces omgekeerd: zinkionen zetten zich weer af als vast zinkmetaal op de elektrode.
Wat aan de andere kant van de batterij gebeurt, verschilt per type, en dat bepaalt ook de naam van de technologie. Bij een zink-luchtbatterij is de positieve elektrode geen vast materiaal, maar gewoon zuurstof uit de omgevingslucht die via een poreus elektrode-oppervlak de reactie aangaat. Bij een zink-broombatterij, ook wel doorstroombatterij genoemd, wordt een broomhoudende vloeistof rondgepompt langs de elektroden vanuit externe tanks, wat het mogelijk maakt om vermogen en opslagcapaciteit los van elkaar te schalen. Bij een zink-mangaandioxidebatterij, chemisch verwant aan de gewone alkalinebatterij, bestaat de positieve elektrode uit mangaandioxide, een stof die ook in wegwerpbatterijen zit.
De grootste technische horde bij al deze varianten is hetzelfde: zink heeft de neiging om tijdens het opladen ongelijkmatig af te zetten, in de vorm van kleine, scherpe naaldjes die dendrieten heten. Groeien die dendrieten door de elektrolyt heen naar de andere elektrode, dan ontstaat kortsluiting en gaat de batterij kapot. Daarnaast kan de zinkelektrode na veel laad- en ontlaadcycli van vorm veranderen ("shape change"), waardoor de capaciteit langzaam afneemt. Decennia aan onderzoek zijn erop gericht deze problemen te beheersen met additieven in de elektrolyt, aangepaste elektrodestructuren en slimme laadstrategieën.
Wat wil men ermee bereiken?
De drijfveer achter zinkbatterijen is vooral de energietransitie. Zonne- en windenergie leveren stroom op momenten die niet altijd samenvallen met de vraag, dus is er grootschalige, betaalbare opslag nodig om overdag opgewekte zonnestroom 's avonds te kunnen gebruiken, of om het elektriciteitsnet stabiel te houden. Lithium-ionbatterijen domineren die markt inmiddels, maar hebben nadelen: de grondstoffen zijn duur en de winning ervan is milieubelastend en geopolitiek gevoelig, en de brandbaarheid vraagt om kostbare veiligheidsmaatregelen, zeker bij opslag dicht bij woonwijken of gebouwen.
Zinkbatterijen mikken daarom niet op de markt voor elektrische auto's — daar telt gewicht en volume te zwaar mee, en zink is nu eenmaal minder energiedicht dan lithium — maar op stationaire toepassingen: batterijcontainers naast zonneparken, back-upstroom voor telecommasten en datacenters, en buffers voor elektriciteitsnetten. Voor die toepassingen telt vooral de prijs per opgeslagen kilowattuur over de hele levensduur, en de veiligheid, meer dan compactheid. Als zink daarin kan concurreren met lithium-ion, zou dat de opslagmarkt minder afhankelijk maken van een handjevol grondstoffen en fabrikanten.
Voorbeelden uit de praktijk
Een aantal bedrijven probeert deze belofte waar te maken. Eos Energy Enterprises, een Amerikaans bedrijf genoteerd aan de Nasdaq, ontwikkelt zink-halidebatterijen (onder de merknaam Znyth) voor netopslag en ging in 2020 naar de beurs via een fusie met een lege beurshuls (SPAC). Het bedrijf kreeg te maken met tegenvallende productieopschaling, maar kreeg in 2024 een voorwaardelijke lening toegezegd van het Amerikaanse ministerie van Energie om zijn fabriek in Turtle Creek, Pennsylvania, uit te breiden.
Redflow, een Australisch beursgenoteerd bedrijf, bouwt zink-broom doorstroombatterijen en heeft installaties draaien bij telecommasten en microgrids in Australië en de Amerikaanse staat Californië. Zinc8 Energy Solutions uit Canada werkt aan een zink-lucht doorstroombatterij en voerde rond 2022 een pilotproject uit in de staat New York, ondersteund door de New Yorkse energie-innovatiedienst NYSERDA.
Urban Electric Power, een spin-off van het CUNY Energy Institute van de City University of New York onder leiding van hoogleraar Sanjoy Banerjee, ontwikkelt oplaadbare zink-mangaandioxidebatterijen die qua chemie dicht bij de gewone alkalinebatterij staan. In Europa is Enerpoly uit Zweden, voortgekomen uit onderzoek aan het KTH Royal Institute of Technology in Stockholm, bezig met zink-ionbatterijen voor kleinschalige opslag. Van specifiek Nederlandse bedrijven die zinkbatterijen commercieel ontwikkelen is bij het schrijven van dit artikel geen betrouwbaar overzicht bekend; het veld wordt vooral aangevoerd door Noord-Amerikaanse, Australische en enkele Europese spelers.
Hoe ver is de techniek?
Zinkbatterijen zijn geen laboratoriumcuriositeit meer, maar ook nog geen mainstream alternatief voor lithium-ion. Zink-luchtbatterijen als wegwerpbatterij (zoals in gehoorapparaten) bestaan al decennia en zijn volledig volwassen; het is juist de oplaadbare, grootschalige variant die nog volop in ontwikkeling is. Zink-broom doorstroombatterijen en zink-hybride systemen zoals dat van Eos zijn inmiddels op pilot- en vroeg-commerciële schaal ingezet: er draaien projecten van megawattuurs, niet gigawattuurs, en de productie verloopt vaak trager en duurder dan aanvankelijk beloofd.
Het belangrijkste obstakel blijft de balans tussen cyclusleven, kosten en betrouwbaarheid. Waar lithium-ionbatterijen voor netopslag inmiddels duizenden volledige laad-ontlaadcycli kunnen doorstaan tegen dalende kostprijzen, moeten zinksystemen nog bewijzen dat ze dat tempo en die betrouwbaarheid op grote schaal kunnen evenaren, met name onder wisselende temperaturen. Investeerders en netbeheerders wachten dan ook op langere trackrecords uit lopende projecten voordat zink op grote schaal wordt uitgerold. Kortom: de techniek werkt aantoonbaar, maar het opschalen naar een kostenniveau en betrouwbaarheid die met lithium-ion concurreren, is nog een werk in uitvoering.
Wie werken eraan?
Naast de eerdergenoemde bedrijven Eos Energy Enterprises, Redflow, Zinc8 Energy Solutions, Urban Electric Power en Enerpoly speelt fundamenteel onderzoek zich onder meer af bij het CUNY Energy Institute in New York, een van de pioniers op het gebied van oplaadbare alkalinezinkbatterijen, en bij Amerikaanse nationale laboratoria zoals het Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), dat onderzoek doet naar waterige zinkchemieën. Ook Australische onderzoeksgroepen zijn actief rond zink-broomtechnologie, aansluitend bij de aanwezigheid van Redflow in dat land.
Geografisch ligt het zwaartepunt van commerciële ontwikkeling in de Verenigde Staten, Canada en Australië, met Zweden als een van de weinige zichtbare Europese spelers. Overheidsfinanciering speelt een grote rol: zowel het Amerikaanse ministerie van Energie als Australische en Canadese innovatiefondsen hebben geld gestoken in pilotprojecten, vanuit de gedachte dat een grondstofdiverse opslagmarkt de energietransitie minder kwetsbaar maakt voor tekorten aan lithium of kobalt.