Onderzoekers van de Universiteit van Californië in Los Angeles hebben een significante doorbraak bereikt op het gebied van energieopslag. Onder leiding van Richard Kaner en Maher El-Kady heeft het team een hybride zink-ionbatterij ontwikkeld met een 3D-geprinte elektrode, die tot zeven keer meer energie kan opslaan dan vergelijkbare bestaande systemen.
De studie, die werd gepubliceerd in het tijdschrift Small, werd geleid door Sophia Uemura, die onlangs haar doctoraat behaalde aan de UCLA. De belangrijkste innovatie is een 3D-printtechniek waarbij een uv-laser wordt gebruikt om een poreuze koolstofelektrode met een honingraatstructuur te vervaardigen. Deze elektrode is vervolgens gecoat met vanadiumoxide, een materiaal dat zeer effectief is in het opslaan van lading. Het oppervlak van slechts één gram van dit composiet is vergelijkbaar met ongeveer tien tennisvelden, wat zorgt voor een enorme interactieruimte voor elektrochemische reacties.
Het apparaat functioneert als een hybride door twee methoden van energieopslag te combineren: aan de ene elektrode vindt intercalatie van zink-ionen plaats (zoals bij traditionele batterijen), terwijl aan de andere kant lading wordt opgeslagen in een elektrische dubbellaag (zoals bij supercondensatoren). Deze combinatie maakt een hoge energiedichtheid mogelijk zonder in te boeten op de snelheid van het laden en ontladen. Na 1500 laadcycli in een speciaal ontwikkelde 3D-geprinte testcel behielden de standaard koolstofelektroden 98% van hun capaciteit, terwijl ze in conventionele open opstellingen al binnen honderd cycli hun werking verliezen.
De driedimensionale, poreuze architectuur van de elektrode lost een cruciaal probleem op: het vergroot het beschikbare reactieoppervlak en maakt het mogelijk om aanzienlijk meer actief vanadiumoxide aan te brengen zonder de elektrode dikker te maken. Daarnaast ontwikkelden de onderzoekers een innovatieve 3D-geprinte testcel met een luchtdicht deksel en een vaste afstand tussen de elektroden, wat zorgt voor reproduceerbaarder en betrouwbaarder resultaten dan de rudimentaire methode van het gieten van elektrolyt in een open bekerglas die in veel laboratoria gebruikelijk is.
Hoewel de resultaten zich nog in de laboratoriumfase bevinden en er nog geen volledige batterijmodules zijn gebouwd, is het potentieel van de ontdekking enorm. Zink komt ongeveer honderd keer vaker voor dan lithium, is aanzienlijk goedkoper en eenvoudiger te winnen en te recyclen, wat de technologie aantrekkelijk maakt voor stationaire energieopslag van zon- en windparken. Voor grootschalige implementatie in het elektriciteitsnet moeten echter nog praktische en economische hindernissen worden overwonnen, zoals het opschalen van het 3D-printproces, de stabiliteit van de materialen op lange termijn onder reële gebruiksomstandigheden (zoals temperatuurschommelingen) en het verlagen van de kosten per kilowattuur bij massaproductie.
De ontdekking laat zien hoe een combinatie van geavanceerde productietechnieken (3D-printen), materiaalkunde (vanadiumoxide in een poreus koolstofnetwerk) en elektrochemisch ontwerp (de hybride batterij-supercondensator) de prestaties van energieopslag drastisch kan verbeteren. Dit is een van de vele stappen die nodig zijn voordat een doorbraak in het laboratorium kan leiden tot industriële productie en grootschalige uitrol op het energienet.
