In een flowbatterij kunnen kijken
Met behulp van neutronen visualiseren TU/e-wetenschappers de interne processen van een redox-flowbatterij.
Aan het begin van de 20e eeuw zorgde de uitvinding van röntgenfotografie voor een sprong voorwaarts in de medische wetenschap. Sindsdien kunnen we bekijken hoe de botten in ons lichaam werken, waardoor talloze nieuwe behandelingen mogelijk werden. Nu maakt een vergelijkbare methode met neutron imaging het mogelijk om de interne werking van redox flow batterijen te visualiseren - een type batterij dat voornamelijk wordt gebruikt voor grootschalige opslag in zonne- en windenergiesystemen. In deze batterijen kunnen kijken, biedt nieuwe mogelijkheden om ze te verbeteren.
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 (faculteit Chemical Engineering & Chemistry), ontwikkelde deze nieuwe methode met behulp van neutron imaging. De doorbraak levert buitengewone bewegende beelden (zie video hieronder) op die helpen om de innerlijke werking van redox flow batterijen te begrijpen.
Nieuwsgierigheidsgedreven onderzoek in verschillende disciplines
Nog belangrijker is dat de beelden inspiratie en richtlijnen bieden voor nieuwe ideeën en oplossingen. Meer direct kan de methode helpen bij de verdere ontwikkeling van redox flow batterijen, hoewel de nieuwe beeldvormingstechniek van Forner Cuenca's team ook andere wetenschappelijke disciplines vooruit kan helpen. “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.”
Neutron imaging speelt een cruciale rol in het onderzoek getiteld 'Quantifying concentration distributions in redox flow batteries with neutron radiography'. Forner Cuenca leerde veel over deze beeldvormingstechniek tijdens zijn PhD-opleiding, die in 2013 begon bij het PSI. Vervolgens deed hij in 2017 postdoctoraal onderzoek bij MIT, waar hij leerde over redox flow batterijen. Toen ging het lampje in zijn hoofd aan.
Systeem bleef een zwarte doos
“In de flowbatterij bevinden zich bewegende vloeistoffen - de zogenaamde elektrolyten. 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.”
Een nieuwe toepassing van bestaande wetenschap
“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.” 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 flow batterijen.”
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 dertig 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.”
10 dagen lang 24-uursmetingen
Deze experimenten werden uitgevoerd bij het PSI. Een team van drie promovendi had, samen met Forner Cuenca, de leiding over de experimenten: Remy Jacquemond, Maxime van der Heijden en Emre Boz, inmiddels allemaal succesvol afgestudeerd. Omdat de experimenten intensief waren, deed het team ongeveer 10 dagen lang 24-uursmetingen in verschillende ploegen om de productiviteit te maximaliseren.
“De kans krijgen om neutronen te gebruiken, is bijzonder. We krijgen gemiddeld maar eens in de twee jaar de optie om dit soort apparatuur te gebruiken. Het PSI heeft een jaarlijkse internationale ‘experimentenwedstrijd’, gerangschikt naar belangrijkheid. We hadden het voorrecht om vier succesvolle experimenten uit te voeren.”
“Qua inspanning en expertise was dit een uitdagend project en de samenwerking met drie promovendi was essentieel voor het succes. Ik ben erg trots op deze drie collega's, die hard werkten en samenwerkten als een echt team. Het toont de sterke meerwaarde van het werken in teams, zowel in ons onderzoeksteam als met internationale medewerkers bij PSI en MIT.”
Veel gebieden voor verbetering
Volgens Forner Cuenca is het om verschillende redenen belangrijk om de vloeistofwerking in redox flow accu'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.” Er zijn nog genoeg aspecten die voor verbetering vatbaar zijn, zoals Forner Cuenca uitlegde in dit eerdere artikel op onze website.
Maar zoals met elke nieuwe technologie, biedt het ook andere mogelijkheden in de toekomst. “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.”
Deze nieuwe inzichten kunnen weer leiden tot compleet andere methoden of ideeën. “Dat is waar ik het meest enthousiast over ben: nieuwsgierigheid aanwakkeren. Zo hebben we tenslotte deze nieuwe methodologie ontwikkeld. Collaboratief onderzoek en nieuwsgierigheidsgedreven ideeën zijn twee cruciale elementen van wetenschappelijke ontdekkingen. Gesteund door een ERC-subsidie die blue-sky projecten omarmt, konden we deze methode ontwikkelen en we hebben nog veel meer nieuwe ideeën om in de toekomst uit te voeren.”
Referentie:
Jacquemond, R.R., van der Heijden, M., Boz, E.B. et al. Quantifying concentration distributions in redox flow batteries with neutron radiography. Nat Commun 15, 7434 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-50120-7
Lees meer over het onderzoek van Forner Cuenca op de website van zijn groep en in dit artikel en dit artikel.
Mediacontact:
Het laatste nieuws
Meer over duurzaamheid
