Wetenschappers ontdekken hoe we bakstenen in batterijen kunnen veranderen

Een van de grootste obstakels voor de revolutie op het gebied van hernieuwbare energie is uitzoeken hoe energie kan worden opgeslagen als de zon niet schijnt en de wind niet waait. Nu hebben wetenschappers aangetoond dat gewone bouwstenen kunnen worden omgezet in energieopslag, waardoor onze huizen mogelijk in gigantische batterijen veranderen.

Hoewel de lithium-ionbatterijtechnologie de afgelopen jaren in prijs is gedaald, zijn de meeste experts het erover eens dat ze te duur zullen blijven voor opslag. De relatieve schaarste van lithium betekent ook dat ze waarschijnlijk niet in al onze energiebehoeften kunnen voorzien.

Dat heeft geleid tot aanzienlijk onderzoek naar alternatieve manieren om overtollige hernieuwbare energie op te slaan, van veel goedkopere gesmolten zoutbatterijen tot benaderingen die extra elektriciteit gebruiken om lucht samen te persen of water omhoog te pompen voordat ze later worden vrijgegeven om turbines aan te drijven.

Maar het lijkt erop dat er al die tijd een potentieel energieopslagmedium onder onze neus heeft gezeten. In een artikel in Nature Communications hebben onderzoekers van de Washington University in St. Louis aangetoond dat stenen, kunnen worden behandeld met een eenvoudige chemische procedure om ze batterijachtige energieopslagmogelijkheden te geven.

De techniek maakt gebruik van de poreuze structuur van de steen om een laag van een geleidend polymeer genaamd PEDOT door de steen af te zetten. Dit verandert elke steen in een supercondensator, die vergelijkbaar is met een batterij, maar doorgaans snellere oplaadtijden inruilt voor een lagere opslagcapaciteit.

Het proces van de onderzoekers houdt in dat de stenen eerst worden ondergedompeld in een damp van zoutzuur, die de poriën binnendringt en reageert met het ijzeroxide dat de stenen hun rode kleur geeft. Dit verandert het ijzeroxide in een reactieve vorm van ijzer, dat vervolgens in wisselwerking staat met een ander gas dat door de steen stroomt om een dunne film van PEDOT, een elektrisch geleidend plastic, te creëren.

Deze coating is eigenlijk een mat van nanovezels met een zeer groot oppervlak, waardoor de energieopslagcapaciteit toeneemt. Deze PEDOT-coating werkt als een elektrode en ook voegden de onderzoekers een gelelektrolyt toe aan de stenen.

Ze toonden aan dat drie kleine steentjes voldoende waren om een groene LED tien minuten lang op één lading van stroom te voorzien. Bovendien had een waterdichte epoxy waarmee de onderzoekers de stenen bekleedden, een domino-effect dat waterverdamping uit de gel werd voorkomen, wat betekent dat de stenen 10.000 cycli kunnen worden opgeladen en ontladen met een capaciteitsvermindering van slechts 10 procent.

De stenen zijn nog steeds een concept in plaats van een kant-en-klare oplossing voor onze energieopslagbehoeften; hun energiedichtheid is slechts één procent die van lithiumionbatterijen. In een persbericht zei Julio D’Arcy, die het onderzoek leidde, dat 50 stenen die op een zonnepaneel zijn aangesloten, gedurende 5 uur noodverlichting kunnen bieden. Dat is nog lang niet genoeg om genoeg stroom op te slaan voor onze steeds meer energie-hongerige huishoudens.

D’Arcy merkt op dat het team al werkt aan manieren om hun nanovezels om te zetten in composietmaterialen die andere halfgeleiders bevatten, waarvan ze hopen dat ze de capaciteit met een factor tien zullen verhogen. Ze werken ook aan aanpassingen in het productieproces om de snelheid te verhogen en de kosten te verlagen.

Ze zijn niet de enigen die proberen de functionaliteit van de eenvoudige steen te vergroten. D’Arcy merkt op dat de ene groep stenen heeft gecombineerd met metaaloxide-nanodeeltjes om vervuiling uit de lucht te filteren, en een andere groep heeft stenen gemaakt die elektriciteit kunnen geleiden door elektroden op te nemen die zijn gemaakt van koolstofnanomaterialen. Elektrische autofabrikant Tesla bouwt ook dakpannen die zonne-energie opwekken. Ook Neutrino Energy is volop bezig om nanotechnologie toe te passen in producten.

Hoewel er nog een lange weg te gaan is, lijkt het erop dat de huizen van de toekomst gigantische batterijen kunnen zijn die zichzelf kunnen opladen met een overvloed aan hernieuwbare energie.

Foto: D’Arcy Laboratory