Iedereen heeft het de laatste jaren over de bijzondere kwaliteiten van de lithium batterijen. De verbeterde kwaliteit tegenover gel of zwavelzuur batterijen staat inderdaad buiten kijf. De oorlog in Ukraine heeft echter voor een kentering gezorgd. Niet alleen is het element lithium eerder zeldzaam en beperkt te delven, de prijs is enorm gestegen door de grotere vraag voor elektrische auto’s. Behalve het alkalimetaal lithium is voor de productie ervan ook kobalt, mangaan en nikkel nodig. Naarmate de vraag naar elektrische auto’s verder toeneemt, wordt zelfs verwacht dat er de komende decennia grote tekorten zullen ontstaan.

De Europese gebruikers zijn daardoor steeds meer en meer afhankelijk van de Chinese productie die het merendeel der mijnen in hun bezit hebben (60%). Dat doembeeld doet denken aan de gevolgen van onze afhankelijkheid van Russisch aardgas. Europeanen willen niet verplicht worden om straks met alleen Chinese auto’s te kunnen rijden en zoeken daarom naar oplossingen om minder afhankelijk te worden. Natrium en zwavel zijn bijvoorbeeld twee bijzonder veelbelovende verbindingen.

1000 cycli en nog eens vier keer meer energieopslag dan een lithium batterij

In het Australische Sydney heeft Dr. Shenlong Zhao nu een nieuw type van natrium-zwavelbatterij heeft gebouwd die het batterijlandschap grondig zal kunnen hervormen dan de eerste natriumzwavel batterijen uit de jaren 1989. Natrium-zwavelbatterijen gelden al een tijdje als veelbelovend alternatief voor de opslag van hernieuwbare energie. De werking steunt op chemische reacties tussen een zwavelkathode en een natriumanode om de elektrische energie op te slaan en te gebruiken. We willen ook overtollige energie op kunnen slaan in batterijen, maar lithium-ion batterijen zijn eigenlijk te duur om tot een mooi rendement te komen. Er wordt gebruik gemaakt van het goedkope zwavel en natrium. Dat laatste kan gemakkelijk uit zout water worden gewonnen.

“Opslagoplossingen die worden vervaardigd met behulp van overvloedige hulpbronnen zoals natrium… hebben het potentieel om een grotere energiezekerheid in het algemeen te garanderen en meer landen in staat te stellen deel te nemen aan de verschuiving naar decarbonisatie,” aldus Shenlong Zhao.

Bestaande RT Na-S batterijen hadden een beperkte opslagcapaciteit en een korte levenscyclus, wat de commercialisering ervan tegenhield, maar er is nu een nieuw soort RT Na-S batterij, ontwikkeld door het team van Zhao.

De combinatie van natrium en zwavel is op zich al 50 jaar oud, maar bleek onpraktisch vanwege de lage energie-capaciteit. Volgens hun artikel heeft dit apparaat vier keer de opslagcapaciteit van een lithium-ion batterij en een ultralange levensduur – na 1000 cycli heeft het nog steeds ongeveer de helft van zijn capaciteit, wat volgens de onderzoekers “ongekend” is dankzij de integratie van elektroden op basis van koolstof en het gebruik van een proces genaamd “pyrolyse” om de reactiviteit van de zwavel en de reacties tussen de zwavel en natrium te verbeteren. Hierdoor kunnen elektrische voertuigen bijvoorbeeld drie keer verder rijden dan met een vergelijkbare EV-batterij.

De natrium-zwavelcellen zouden langer meegaan, meer energie kunnen bevatten, eenvoudiger te recyclen zijn en goedkoper te produceren zijn dan de nu gebruikte Lithium-Ion-cellen.

Zien we deze natrium-zwavel batterijen verschijnen in de elektrische motorhomes van de toekomst?

Tot nu toe hebben de Sydney-onderzoekers alleen laboratoriumversies van hun RT Na-S-batterij gemaakt en getest. Ze willen zich nu richten op het opschalen en commercialiseren van de technologie, wat waarschijnlijk nog enkele jaren zal duren.

Er zijn tegenwoordig echter veel andere alternatieven voor lithium-ion batterijen die kunnen worden gebruikt voor de opslag van duurzame energie, zoals langlevende flowbatterijen, massieve waterbatterijen en batterijen die elektriciteit opslaan als warmte in bakstenen, zand en andere vaste materialen.

“Onze natriumbatterij heeft het potentieel om de kosten drastisch te verlagen en tegelijkertijd tot vier keer meer opslagcapaciteit te bieden“, betoogt Shenlong Zhao. “Dit is een belangrijke doorbraak voor de ontwikkeling van hernieuwbare energie; hoewel de kosten op de lange termijn dalen, zijn er veel financiële toetredingsdrempels.”

Theoretische omschrijving van de werking van een natrium-zwavel batterij (hmn.wiki.nl) uit 1989

Een natrium-zwavelbatterij is een type gesmolten-zoutbatterij die is opgebouwd uit vloeibaar natrium (Na) en zwavel (S). Dit type batterij heeft een hoge energiedichtheid (de energiedichtheid is 5 keer die van een loodzuurbatterij), een hoog laad- en ontlaadvermogen en een lange levensduur (meer dan 1000 keer). Ze is vervaardigd uit goedkope en niet-giftige materialen. De bedrijfstemperaturen van 300 tot 350 °C en de zeer corrosieve aard van de natriumpolysulfiden, maken ze vooral geschikt voor stationaire energieopslagtoepassingen. De cel wordt zuiniger met toenemende grootte. In de handel verkrijgbare cellen zijn doorgaans groot met een hoge capaciteit (tot 500 Ah). Dit komt doordat grotere cellen langzamer afkoelen dan kleinere cellen, waardoor de hoge bedrijfstemperaturen kunnen worden gehandhaafd.

Typische batterijen hebben een vast elektrolytmembraan tussen de anode en de kathode, in vergelijking met vloeibaar-metaalbatterijen waarbij de anode, de kathode en het membraan vloeistoffen zijn.

De cel wordt gewoonlijk gemaakt in een cilindrische configuratie. De hele cel is omsloten door een stalen behuizing die aan de binnenkant, meestal door chroom en molybdeen, wordt beschermd tegen corrosie. Deze buitencontainer dient als de positieve elektrode, terwijl het vloeibare natrium als de negatieve elektrode dient. De container is aan de bovenzijde afgesloten met een luchtdicht aluminiumoxide deksel. Een essentieel onderdeel van de cel is de aanwezigheid van een BASE (de zgn. beta-alumina vaste elektrolyt) membraan, dat selectief Na + geleidt. Bij commerciële toepassingen zijn de cellen in blokken gerangschikt voor een betere warmtebehoud en zijn ze ingepakt in een vacuümgeïsoleerde doos.

 

 

Bronnen

Fotomateriaal Camperland.be @ CMT Stuttgart, 01.2023

• • https://transportenmilieu.nl/nieuws/item/nieuwe-natrium-zwavel-accu-kan-zonder-lithium
  • https://www.change.inc/energie/nieuwe-superbatterij-gaat-problemen-met-dure-grondstoffen-uit-de-weg-39436
  • https://gocar.be/nl/autonieuws/economie/europese-batterijen-straks-goedkoper-chinese
  • https://hmn.wiki/nl/Sodium%E2%80%93sulfur_battery
  • https://www.freethink.com/energy/energy-storage

© Publicatie copyright Camperland.be 2023, alle rechten voorbehouden.