Hybride zonnecel-batterij voor efficiënte opslag zonne-energie (video)

Om te kunnen concurreren met energie uit fossiele brandstoffen moeten bij duurzame energie de rendementen verder omhoog en de kosten verder omlaag. Met deze gedachte in het achterhoofd ontwikkelen onderzoekers van de Ohio State University een hybride component, die tegelijkertijd kan dienen als zonnecel en als batterij.

De nieuwe component, het geesteskind van prof.dr. Yiying Wu, kan afrekenen met sommige tekortkomingen van zowel de zonnecel- als de natterijtechnologie. Wu en zijn collega's publiceerden hun resultaten in het tijdschrift Nature Communications.

Een tekortkoming van zonnecellen is dat zij op bewolkte dagen of 's nachts minder energie produceren. De meeste huizenbezitters willen het energieoverschot dat overdag wordt geproduceerd terugvoeren aan het elektriciteitsnet.  En 's avonda of  op zonloze dagen kopen ze dan weer energie terug van het nutsbedrijf. Dat is geen ideale oplossing, maar het ontbreken van een effectieve batterij om de overtollige energie op te slaan, laat nog weinig keus. Het zou natuurlijk veel mooier zijn als een huisinstallatie de energie kon opwekken en opslaan voor later gebruik.

Dr. Wu's gepatenteerde component zou ons echter een stap dichter bij de ideale situatie kunnen brengen. Met de component is de huidige inefficiëntie bij energieoverdracht vrijwel geëlimineerd. Gewoonlijk wordt zo'n 20% van de geproduceerde zonne-energie verloren bij de overdracht naar, en het opladen van een batterij. Maar omdat in de nieuwe component de zonnecel en de batterij zijn gecombineerd , kan bijna 100% van de opgewekte energie worden opgeslagen. Een ander voordeel schuilt in de manier waarop energie wordt opgeslagen. Daarvoor wordt de nieuwe lithium-lucht (Li-air) of lithium-zuurstof batterij gebruikt. De meeste batterijen die op dit moment worden gebruikt zijn lithium-ion typen. Zij ontladen door de verplaatsing van lithiumionen van de negatieve naar de positieve elektrode. Als ze worden geladen gaan de lithiumionen terug naar de negatieve elektrode. Vergeleken met de oudere nikkel-metal hydride (NiMH) en lood-zuur batterijen hebben Li-ion typen veel voordelen. Ze hebben een veel grotere energiedichtheid, waardoor ze significant meer energie per gewicht kunnen opslaan. Li-ion batterijen verliezen hun lading ook veel langzamer als ze niet in gebruik zijn.

Maar ook Li-ion batterijen hebben hun tekortkomingen. Ze kunnen een korte levensduur hebben, hoewel ze veel laad/ontlaadcyclussen kunnen ondergaan, en ze zijn temperatuurgevoelig. Gebruik of opslag bij hoge temperaturen leidt tot snelle degradatie. Vanwege deze en andere beperkingen zijn onderzoekers al sinds de jaren '70 bezig met het verfijnen van de Li-lucht technologie. Deze batterijen gebruiken lithium aan de anode en zuurstof (uit lucht) aan de kathode om stroom te leveren. Hun energiedichtheid kan tot vijftien maal groter zijn dan die van Li-ion batterijen - dat komt dan overeen met de energiedichtheid van benzine. Dat betekent dat het gebruik in eletrische voertuigen de actieradius zou kunnen vergroten tt meer dan 750 km op een enkele lading.

Al eerder ontwikkelden dr. Wu en zijn team een kalium-lucht batterij (K-air) met een hoge energiedichtheid. Deze batterij was goedkoop te produceren, had een rendement van bijna 100% en produceerde geen giftige bijproducten. De Li-air batterij die vervolgens door dr. Wu's groep werd ontwikkeld was gebaseerd op het ontwerp van de K-air batterij, waarbij in essentie kalium werd vervangen door lithium.

Vervolgens overwonnen de onderzoekers diverse technologische uitdagingen om deze Li-air batterij te combineren met een zonnecel die voor de energie moet zorgen.

Li-air batterijen werken met zuurstof uit de lucht maar de meeste zonnecellen zijn massief en laten geen lucht door. Daarom ontwierp het team een nieuw type gaasachtige zonnecel die is gemaakt van microscopische staafjes titaniumdioxide. Deze zonnecel is nu luchtdoorlatend zodat de batterij zuurstof kan opnemen. Het invallende zonlicht produceert elektronen die lithiumperoxide ontbinden in lithiumionen, waarbij de batterij wordt geladen.   Tijdens ontlading wordt zuurstof uit de lucht gebruikt om het lithiumperoxide te herstellen.

Tot dusverre blijkt de component bij beproevingen veelbelovend, zowel wat betreft betrouwbaarheid als rendement. De onderzoekers gaan door met het verfijnen van hun component en experimenteren met nieuwe materialen om de prestaties te verbeteren.

Hoewel het idee voor de Li-air batterij al stamt uit de jaren '70, werden er tot midden in de jaren '90 weinig vorderingen mee gemaakt. Door de komst van nieuwe materialen werd de Li-air batterij haalbaar.