Nyt flowbatteri kombinerer 2.200 cyklusser med genanvendelig batterivæske

Et hold kemikere ved Zhengzhou University i Kina har udviklet en væske til flowbatterier, hvor det aktive materiale både kan lagre elektrisk ladning og føres tilbage til sit udgangsstof. I et studie offentliggjort 23. oktober i Nature Sustainability demonstrerer forskerne en genanvendelsesproces og en batteritest med 2.200 opladninger og afladninger.

Det interessante er kombinationen: Et organisk materiale skal kunne arbejde stabilt i batteriet, men også kunne skilles ad igen, når det skal genvindes. Holdet viser begge dele i laboratoriet. Der er dog stadig langt fra forsøgsopstillingen til et batterianlæg, der kan hjælpe elnettet gennem vindstille timer.

Ladningen ligger i en væske

Et flowbatteri opbevarer sine aktive stoffer i væsker, som pumper sender gennem en elektrokemisk celle. Her foregår reaktionerne, der optager eller afgiver elektroner. To væskekredsløb holdes adskilt af en membran, mens strømmen kan løbe gennem et ydre kredsløb.

Konstruktionen gør det muligt at arbejde med lagringskapacitet og effekt hver for sig: Tankene rummer materialet, mens cellerne bestemmer, hvor hurtigt reaktionerne kan levere strøm. Det er en anden opbygning end et almindeligt batteri med faste aktive materialer samlet i lukkede celler.

Den nye forskning handler om væsken på batteriets negative side, den såkaldte anolyt. Udgangspunktet er thioctsyre, også kendt som alfa-liponsyre. Forskerne bruger stoffets kaliumform og får molekylernes ringe til at åbne sig og danne korte kæder med svovl-svovl-bindinger.

Disse bindinger er reaktionsstederne i materialet, som forskerne kalder oligo(disulfider). En katalysator, sulfoneret koboltphthalocyanin, hjælper den elektrokemiske omsætning. Resultatet kommer altså fra et samspil mellem væskens kemi, katalysatoren og batteriets øvrige komponenter.

To resultater, som skal læses hver for sig

I en kapacitetsmåling opnåede holdet 128 amperetimer pr. liter ved en strømtæthed på 50 milliampere pr. kvadratcentimeter. Det svarede til, at 95,5 procent af materialets teoretiske kapacitet blev udnyttet. Amperetimer beskriver elektrisk ladning; tallet er ikke det samme som watt-timer pr. liter, som også afhænger af spændingen.

Den lange holdbarhedstest blev udført under andre betingelser. Her var koncentrationen af svovl-svovl-bindinger 0,25 mol pr. liter, og cellen havde en kulstofbelagt membran af sulfoneret PEEK. Ved 100 milliampere pr. kvadratcentimeter var 98,1 procent af kapaciteten tilbage efter 2.200 cyklusser.

Energieffektiviteten i denne test var omkring 70 procent. Høj kapacitetsbevarelse betyder derfor ikke, at strømmen kan lagres uden tab. Kapacitetsmålingen og cyklustesten kan heller ikke sættes sammen til en påstand om, at cellen leverede 128 amperetimer pr. liter gennem hele det lange forsøg.

Materialet kan komme tilbage i kredsløbet

Forskerne afprøvede også en batteristak på 63 watt-timer. Efter mere end 20 dages drift blev materiale fra den negative elektrolyt genvundet. Processen bygger på fortynding med vand og tilsætning af syre, så thioctsyre kan udfældes og udskilles.

Det supplerende forsøgsbilag angiver et isoleret udbytte på 75,9 procent. Det er et konkret tegn på genanvendelighed, men også en grænse for resultatet: Forsøget genvandt ikke alt udgangsmaterialet. Den genvundne thioctsyre blev derefter brugt til en ny elektrolyt, som forskerne afprøvede over 500 cyklusser.

Dermed demonstrerer arbejdet mere end en idé om, at materialet måske kan genbruges. Forskerne har faktisk ført det gennem et nyt batteriforsøg. Til gengæld er én sådan omgang ikke dokumentation for ubegrænset genanvendelse eller et fuldt lukket industrielt kredsløb.

Prisen for hele processen mangler stadig

Genanvendelsen kræver også ressourcer. I bilagets regneeksempel fortyndes 100 liter elektrolyt med 900 liter vand før syretilsætningen. Forskerne skriver desuden, at deres beregning ikke medtager omkostninger til omrøring og filtrering, fordi de ikke kan estimeres ud fra de eksisterende forsøg.

Næste spørgsmål er derfor, hvordan kemi, membraner, pumper og genvinding fungerer samlet i større skala og over længere tid. Studiet viser en lovende vej til en elektrolyt, der både kan holde til mange cyklusser og genvindes. Det dokumenterer endnu ikke et færdigt, billigt anlæg til elnettet.