“Aan de TU/e onderzoek ik innovatieve methoden om de grootschalige energieopslagsystemen van de toekomst mogelijk te maken”

Wat trok jou in eerste instantie aan tot de chemie?

Het is een fascinerende wetenschap. Voor mij is het allereerst een manier om de wereld te begrijpen: hoe hij in elkaar zit en waarom dingen werken zoals ze werken. Met de toolkit van chemische technologie kun je bovendien materialen manipuleren om efficiënte, schone duurzame-energietechnologieën te ontwikkelen.

Zoals batterijen...

De populairste batterijen zijn lithium-ionbatterijen. Die zijn met name geschikt voor allerhande mobiele toepassingen. Maar de technologie is beperkt wat langdurige of grootschalige energieopslag betreft. Hij schaalt bijvoorbeeld niet goed op naar de benodigde grootte voor aansluiting op het elektriciteitsnet, of om garant te staan voor de urenlange stroomvoorziening van duizenden huizen. Daarom werken wij aan flowbatterijen.

Hoe werken flowbatterijen precies?

Een flowbatterij bestaat uit twee opslagvaten met vloeibaar elektrolyt. Het ene is positief geladen, het andere negatief. De vloeistof wordt door een elektrode gepompt en kan beide kanten op gebruikt worden: zowel tijdens het opladen als het afgeven van energie. Flowbatterijen zijn veelbelovend voor grootschalige energieopslag, omdat je voor het opschalen simpelweg grotere tanks met elektrolyt moet gebruiken. Op dit moment wordt voor de meeste flowbatterijen vanadium als elektrolyt gebruikt, omdat dit element in meerdere oxidatietoestanden bestaat en betrouwbaar duizenden cycli lang lading af kan geven. Maar vanadium is schaars en de prijs ervan fluctueert. Daarom richt ik mij op goedkopere alternatieven die dezelfde opbrengst kunnen leveren, zoals organische verbindingen, en op efficiëntieverbetering van de batterijen.

Hoe ga je dat doen?

Daarvoor moet je het hart van de batterij verbeteren. De ware magie gebeurt in de elektrode, die elektronen kan verzamelen en afgeven als de elektrolyt erdoorheen stroomt. Het functioneren van de batterij kan dramatisch verbeterd worden door de driedimensionale structuur van de elektrode te optimaliseren. Als je er door een microscoop naar kijkt, dan zie je dat de elektrode bestaat uit een poreuze structuur die slecht georganiseerd is. We weten dat een zeer goed gestructureerde geometrie juist sterk verbeterde energieopslagsystemen kan opleveren. Maar we weten nog niet wat de beste structuur is. Dat is waar ik me op richt met mijn onderzoek.

Wat wordt jullie aanpak?

We gaan wiskundige modellen gebruiken om de optimale elektrodestructuur te voorspellen. Wanneer we veelbelovende elektrodemorfologieën vinden, die de beste opbrengst zouden kunnen leveren, dan zullen we ze fabriceren door middel van 3D printers. Daarna gaan we de elektroden testen in het laboratorium, in nauwe samenwerking met partners uit de industrie.

Naast flowbatterijen richt je je op dit moment ook op andere technologieën voor schone mobiliteit en energieconversie. Kun je ons daar meer over vertellen?

We onderzoeken brandstofcellen met polymeerelektrolyt, die de chemische energie in de brandstof rechtstreeks omzetten in elektrische energie. Die kunnen als energiebron gebruikt worden voor duurzame mobiliteit – zonder uitstoot en met korte laadtijd. Ook richten we ons op elektrolyse-apparatuur, die door middel van elektriciteit een watermolecuul in waterstof en zuurstof kan splitsen. Deze apparaten hebben een positieve en een negatieve pool, net zoals een batterij. Waterstofgas wordt aan de negatieve pool gegenereerd en zuurstof aan de positieve. We gebruiken elektrolyse om waterstof te genereren voor waterstofcellen en de chemische industrie. Een economie die volledige op hernieuwbare energie draait vereist innovaties in mobiliteit, energieopslag om hernieuwbare technologieën met elkaar te kunnen integreren, en chemische productie. We gebruiken de principes van electrochemische technologie, materiaalwetenschappen en computermodellen om een hele reeks aan elektrochemische energie-oplossingen te ontwikkelen voor deze drie sectoren.

Wat is het uiteindelijke doel van je onderzoek?

Wij doen fundamenteel onderzoek, gedreven door nieuwsgierigheid. We zijn allereerst op zoek naar een diepgaand begrip van wat er zich allemaal in zo'n batterij afspeelt en hoe je het proces kunt verbeteren. We verwachten in de komende drie jaar grote stappen in deze richting te kunnen maken. Tegelijkertijd zouden we natuurlijk ook graag zien dat onze onderzoeksresultaten hun weg naar de markt kunnen vinden in de vorm van waardevolle nieuwe producten. Samenwerken met de industrie en het overbrengen van onze kennis over het ontwerpen en produceren van elektroden is dan ook van zeer groot belang.

Hoe ben je bij de TU/e terechtgekomen?

Voordat ik naar Nederland kwam, had ik al een tijdje nagedacht over de volgende stap in mijn carrière. Ik wist dat ik hoogleraar wilde worden en een leider in mijn werkveld. Dus zocht ik de juiste plek om dat te realiseren. Ik kwam uit bij de Technische Universiteit Eindhoven omdat het een fantastische en gerenommeerde universiteit is waar intensief samengewerkt wordt met de industrie in een van de interessantste hightechregio's van Europa. Op dit moment ben ik universitair docent binnen de groep Membrane Materials & Processes van de faculteit Scheikundige Technologie. Ik heb het genoegen om aan de TU/e innovatieve methoden te onderzoeken om de grootschalige energieopslagsystemen van de toekomst mogelijk te maken.

Een deel van dit interview is eerder geschreven en gepubliceerd in 'Smart Storage Magazine' door Marco de Jonge Baas.