Thomas Edisons Mislukte Oplaadbare Batterij Krijgt Mogelijk een Tweede Leven

Verenigde Staten - Ekhbary Nieuwsagentschap

Thomas Edisons Mislukte Oplaadbare Batterij Krijgt Mogelijk een Tweede Leven

In een ontwikkeling die hoofdstukken uit de geschiedenis van elektrische opslag zou kunnen herschrijven, heeft een team van onderzoekers van de University of California, Los Angeles (UCLA) met succes een prototype van een nikkel-ijzer batterij ontwikkeld dat teruggrijpt op de baanbrekende principes van de beroemde uitvinder Thomas Edison. Hoewel Edisons oorspronkelijke visie voor deze technologie in het begin van de 20e eeuw was om elektrische auto's aan te drijven, geloven hedendaagse onderzoekers nu dat de fundamentele concepten veel beter geschikt zijn voor toepassingen voor opslag van hernieuwbare energie, zoals zonne- en windenergiecentrales.

Het onderzoek, onlangs gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift 'Small', beschrijft een innovatief batterijprototype dat binnen enkele seconden kan worden opgeladen en meer dan 12.000 laad-ontlaadcycli kan weerstaan. Deze opmerkelijke duurzaamheid staat gelijk aan ongeveer 30 jaar intensief dagelijks gebruik, wat duidt op een uitzonderlijk lange levensduur voor deze opnieuw ontworpen technologie. Deze doorbraak weerspiegelt een dieper begrip van hoe chemische principes op nanoschaal kunnen worden benut voor superieure prestaties.

Het concept van oplaadbare elektrische energie was niet geheel nieuw in het tijdperk van Edison. Tegen 1900 reden er meer elektrische hybride auto's op de Amerikaanse wegen dan benzineauto's. In 1901 patenteerde Edison met succes een werkende loodzuur autoaccu die de 20e eeuw bijna op een heel andere koers had gezet. Echter, Edisons batterijen werden geconfronteerd met aanzienlijke hindernissen, waaronder hoge kosten en een beperkte actieradius van slechts 30 mijl, waardoor ze uiteindelijk het onderspit dolven tegen de verbrandingsmotor voordat Edison zijn visie op een succesvolle nikkel-ijzer opvolger volledig kon realiseren.

Vandaag de dag is hernieuwbare energie een hoeksteen van de wereldwijde energiemix geworden, na meer dan een eeuw van continue innovatie en in het licht van toenemend bewustzijn van de ernstige gevolgen van fossiele brandstoffen. Hoewel de meeste mensen tegenwoordig bekend zijn met oplaadbare lithium-ion batterijen, is Edisons nikkel-ijzer concept niet volledig verdwenen. UCLA ingenieurs erkennen dat, hoewel deze technologie mogelijk niet direct geschikt is voor transporttoepassingen, ze een enorm potentieel vertoont voor gebruik in energie-infrastructuren, zoals zonneparken en grootschalige energieopslagfaciliteiten.

Dr. Maher El-Kady, een van de co-auteurs van de studie, legt uit dat de onderliggende principes van deze technologie, ondanks dat ze gebaseerd zijn op bindingen op atomair niveau en nanotechnologie, verrassend gemakkelijk te begrijpen zijn. "Mensen denken vaak dat moderne nanotechnologie-instrumenten ingewikkeld en high-tech zijn, maar onze aanpak is verrassend eenvoudig en rechttoe rechtaan", zei hij in een recent UCLA-profiel.

Het team van El-Kady putte inspiratie uit twee hoofdoorzaken: fundamentele chemie en skeletanatomie. De vorming van wervelbotten en schelpen bijvoorbeeld omvat het gebruik van specifieke eiwitten als raamwerk voor het bouwen van calcium-gebaseerde verbindingen. "Het correct neerleggen van mineralen bouwt botten die sterk, maar toch flexibel genoeg zijn om niet broos te zijn. Hoe het wordt gedaan, is bijna net zo belangrijk als het gebruikte materiaal, en eiwitten sturen hoe ze worden geplaatst", legt Dr. Ric Kaner, materiaalkundige en co-auteur van de studie, uit.

El-Kady en Kaner onderzochten de mogelijkheid om dit biologische systeem aan te passen door calcium te vervangen door nikkel en ijzer. Voor de eiwitcomponent gebruikten ze bijproducten van de rundvleesverwerking, die ze doordrenkten met grafeenoxide – een enkele atoom-dikke laag koolstof en zuurstof. Uiteindelijk slaagden ze erin een gevouwen eiwitstructuur te kweken, gevuld met positief geladen nikkelatomen en negatief geladen ijzeratomen. Deze structuren, met een breedte van minder dan vijf nanometer, zouden 10.000 tot 20.000 clusters nodig hebben om de breedte van een mensenhaar te bereiken.

De zuurstofatomen van grafeenoxide fungeren doorgaans als isolatoren, wat de efficiëntie van de batterij kan belemmeren. Het team bedacht echter een oplossing. Door hun creatie in oververhit water te plaatsen, transformeerde de hoge temperatuur de eiwitten tot koolstof terwijl alle zuurstof werd verwijderd. Tegelijkertijd werden deze metaalclusters verder in de structuren ingebed. Het resultaat was een aerogel die voor bijna 99% uit lucht bestond qua volume. Vanaf hier nemen de verrassende oppervlaktedynamieken het over.

"Als we van grotere deeltjes naar deze extreem kleine nanoclusters gaan, wordt het oppervlak dramatisch groter. Dat is een enorm voordeel voor batterijen", legde El-Kady uit. "Wanneer de deeltjes zo klein zijn, kan bijna elk atoom deelnemen aan de reactie. Dus, het laden en ontladen gaat veel sneller, je kunt meer lading opslaan, en de hele batterij werkt efficiënter."

Hoewel El-Kady's nikkel-ijzer aerogel batterij momenteel lang niet de opslagcapaciteit van lithium-ion alternatieven heeft, waardoor deze ongeschikt is voor elektrische voertuigen, gaat de betekenis ervan verder dan een simpel chemisch experiment. Het snelle opladen, de lange levensduur en de hoge output van de nikkel-ijzer batterij suggereren dat deze goed zou kunnen werken in zonneparken. De batterij zou overdag gemakkelijk en snel overtollige elektriciteit kunnen opslaan en die energie 's nachts naar het net kunnen transporteren. Bovendien zou het kunnen dienen als een essentiële back-up stroombron voor energiehongerige datacenters.

Hoewel de wedergeboorte van Edisons nikkel-ijzer batterijen nog in de beginfase is, zijn de wetenschap en de technische knowhow aanwezig. Bovendien omzeilt het volledig de afhankelijkheid van zeldzame aardmetalen die kenmerkend is voor lithium-ion batterijen.

"We mengen gewoon gangbare ingrediënten, passen zachte verwarmingsstappen toe en gebruiken breed beschikbare grondstoffen", concludeerde El-Kady. Deze uitspraken openen de deur naar een veelbelovende toekomst voor energieopslag, waarin innovaties geïnspireerd door het verleden een cruciale rol spelen bij het aanpakken van huidige en toekomstige uitdagingen.

Ekhbary Nieuwsagentschap