Reading time: 3 minutes
Author:
Vloeibare-metaalbatterijen werkten bij een te hoge temperatuur om serieus genomen te worden als potentiële oplossing voor grid storage, maar een nieuwe combinatie van materialen biedt hoop.
Duitsland heeft een probleem: in de eerste zes maanden van dit jaar produceerde het bijna de helft van zijn elektriciteitsbehoefte met duurzame energiebronnen. Omdat de zon niet altijd even hard schijnt en de wind niet altijd even hard waait, leidt deze situatie soms tot overschotten of juist tekorten aan stroom. Traditionele energiecentrales zijn niet flexibel genoeg om daarop in te kunnen spelen.
Om daar een mouw aan te passen, heeft het Noord-Duitse elektriciteitsbedrijf Wemag onlangs Europa’s eerste commerciële ‘batterijcentrale’ geopend. Deze energieopslagfaciliteit roomt stroomoverschotten af op een batterij lithiumionaccu’s en geeft die weer af wanneer dat nodig is.
Er zijn veel meer manieren voorgesteld om stroomfluctuaties op te vangen. Vliegwielen, omzetting in energierijke chemische verbindingen of – grootschaliger – door water of lucht in en uit oude mijnschachten te pompen. Met een publicatie in Nature zet MIT-hoogleraar Donald Sadoway een intrigerende nieuwe optie op de kaart: de vloeibare-metaalbatterij (VMB).
Verstoren
De accu van Sadoway en collega’s is geïnspireerd op de productie van aluminium. Hij bestaat uit drie vloeistoffen die niet mengen en op elkaar drijven: twee elektrodes van gesmolten metaal, gescheiden door een vloeibaar zout als elektrolyt. Tijdens het ontladen staan lithiumatomen uit de bovenste laag elektronen af, waarna ze als ionen door het elektrolyt naar het onderste metaal migreren. Daar vormen ze een legering, een proces dat overigens energiegunstig is. Het omgekeerde gebeurt tijdens het laadproces.
In eerder onderzoek heeft de groep van Sadoway al laten zien dat zijn VMB ondanks de simpele constructie en spotgoedkope materialen zeer betrouwbaar kan werken: de performancedegradatie per stroomcyclus bedraagt slechts fracties van procenten. De hoge bedrijfstemperatuur van die modellen – de metalen moeten immers tot boven hun smeltpunt worden verwarmd – deed echter af aan de efficiëntie en werkte corrosie in de hand.
De vraag was of er een combinatie van materialen te vinden is die bij een lagere temperatuur werkt zonder in te hoeven leveren op betrouwbaarheid. Nature publiceerde onlangs het antwoord: ja, die is er. Deze VMB gebruikt lithium als negatieve topelektrode en een legering van antimoon en lood als de positieve elektrode.
Lithium is een aantrekkelijke keuze vanwege zijn lage smeltpunt (180 graden Celsius) en gunstig potentiaalverschil in combinatie met antimoon (0,92 volt). Het lood is er om het smeltpunt van antimoon (631 graden Celsius) omlaag te brengen: er blijkt verrassend veel lood bijgemengd te kunnen worden zonder de elektrochemische eigenschappen van de batterij te verstoren. Zo veel zelfs dat het elektrolyt, een mengsel van lithiumzouten dat bij 443 graden Celsius smelt, de bedrijfstemperatuur à 450 graden Celsius dicteert. Daarvóór opereerde de beste VMB, werkend op een combinatie van magnesium en antimoon, optimaal bij 700 graden Celsius.
Kostenplaatje
Net als de magnesium-antimoon-versie blijkt de lithium-antimoon-lood-VMB behoorlijk duurzaam: de capaciteit is nog altijd 94 procent na 450 volledige laadcycli. Op basis daarvan schat Sadoway dat deze speciale accu na tien jaar dagelijks één keer op- en ontladen nog 85 procent van zijn oorspronkelijke capaciteit bezit. Gedurende deze periode hoeven ze niet één keer onderhouden te worden, wat de cost of ownership natuurlijk ten goede komt.
Toch is het kostenplaatje nog verre van commercieel aantrekkelijk, moet Sadoway toegeven in een begeleidend interview met Nature. Hij denkt dat een kilowattuur zo’n vijfhonderd dollar gaat kosten, terwijl honderd dollar wordt gezien als de bovengrens voor commerciële toepassing. Het probleem is vooral dat elke cyclus twee procent van de energie moet worden gebruikt om de bedrijfstemperatuur op peil te houden. Dat verlies is in lithiumionbatterijen aanzienlijk lager, maar deze zijn intrinsiek duurder om te produceren en te onderhouden: ze kosten op dezelfde schaal tot duizend dollar per kilowattuur.
Op voorhand mogen we de VMB dus niet afschrijven als potentiële grid storage-oplossing. En Sadoway heeft al een nog betere versie gemaakt, zegt hij.
