Eindhovense onderzoekers kunnen door nieuwe techniek in batterij kijken

Via ‘neutron imaging’ op basis van röntgenfotografie is het mogelijk om de interne werking van redox-flowbatterijen te visualiseren, en dat biedt weer nieuwe mogelijkheden om de batterijen te verbeteren.

Richtlijnen
Een internationale samenwerking – tussen de TU/e, het Massachusetts Institute of Technology (MIT) en het Paul Scherrer Institute in Zwitserland (PSI) – onder leiding van TU/e-onderzoeker Antoni Forner-Cuenca ontwikkelde de nieuwe onderzoeksmethode.

De beelden bieden volgens Forner-Cuenca inspiratie en richtlijnen voor nieuwe ideeën en oplossingen. De methode kan helpen bij de verdere ontwikkeling van redox-flowbatterijen. ‘Onze methode is het resultaat van experimenteren met en lenen van verschillende wetenschappelijke gebieden. Het is een mooi voorbeeld van het belang van nieuwsgierigheidsgedreven onderzoek in verschillende disciplines.’

Concentratie
‘In de flowbatterij bevinden zich bewegende vloeistoffen - de zogenaamde elektrolyten’, vervolgt Forner-Cuenca. ‘Er stroomt een elektrische stroom door de cel wanneer de batterij wordt opgeladen of ontladen. Als gevolg daarvan gaan ionen en redoxmoleculen in de elektrolyt in verschillende richtingen bewegen, wat leidt tot veranderingen in de concentratie van moleculen. Die bewegingen bepalen de prestaties en duurzaamheid van de batterij, maar tot nu toe bleef dat systeem een zwarte doos. De mogelijkheid om in een werkende batterij te kijken en concentratieverdelingen te visualiseren, zal ons begrip van het systeem enorm verbeteren.’

Een belangrijke factor in de werking van die batterij bleef tot nu toe dus onbekend terrein, wat Forner-Cuenca aan het denken zette. ‘Ons lichaam bestaat ook voor het grootste deel uit vloeistoffen, namelijk water. Röntgenstralen gaan daar doorheen en hebben interactie met zwaardere elementen in je botten, waardoor je ze kunt zien zonder een lichaam open te snijden. Neutronen werken omgekeerd: ze gaan gemakkelijk door de materialen van de batterijbehuizing heen, maar hebben een sterke wisselwerking met de moleculen in de vloeibare elektrolyten.’

Nieuwe toepassing
‘Door gebruik te maken van de fundamentele eigenschap van de interactie van neutronen met bepaalde moleculen, zetten we voor het eerst neutron imaging in om de concentraties van moleculen in flowbatterijen te bekijken’, vervolgt de onderzoeker.

Een nieuwe toepassing van bestaande wetenschap, met andere woorden. ‘Die techniek zelf is niet nieuw; die wordt bijvoorbeeld al gebruikt door musea om te zien waar historische voorwerpen van gemaakt zijn zonder ze te beschadigen. Maar nu kunnen we het ook gebruiken om bewegende vloeistoffen te visualiseren, zoals in redox-flowbatterijen.”

Elke 30 seconden
De methode die Forner-Cuenca en zijn team ontwikkelden, is echter nog veel bewerkelijker dan röntgenfotografie en vergelijkbaar met stop-motion animatie. ‘Om in realtime bij te houden hoe de concentratie van vloeistoffen in de batterij verandert, maken we continu elke 30 seconden foto's van de verzameling neutronen die door de batterij gaat. We voegen die foto's als het ware samen, waardoor we een video krijgen die laat zien hoe de concentratie verandert tijdens de werking van de batterij.’

De opzet van de experimenten waarmee het team van Forner-Cuenca letterlijk binnenin de flowbatterij kon kijken. Een team van 3 promovendi had, samen met Forner-Cuenca, de leiding over de experimenten: Rémy Jacquemond, Maxime van der Heijden en Emre Boz, inmiddels allemaal succesvol afgestudeerd.

Begrijpen
Volgens Forner-Cuenca is het om verschillende redenen belangrijk om de vloeistofwerking in redox- flowaccu's te visualiseren. ‘Als we de processen in de accu begrijpen, kunnen we beter presterende systemen ontwikkelen die efficiënter werken en een langere levensduur hebben. Omdat ze voornamelijk worden gebruikt om hernieuwbare energie uit zon en wind op te slaan, hopen we zo bij te dragen aan de energietransitie.’  

Maar zoals met elke nieuwe technologie, biedt het ook andere mogelijkheden in de toekomst. Forner-Cuenca besluit: ‘Chemische reactoren worden bijvoorbeeld gebruikt om allerlei producten te maken, zoals plastic, cosmetica en medicijnen. Omdat onze methode visualisatie van organische moleculen in een oplossing mogelijk maakt, verwachten we dat ook andere industriële toepassingen van onze beeldvormingstechniek kunnen profiteren.’