Stroombatterijen

De stroombatterij

Een stroombatterij (redox-flow batterijen) is een tussenvorm tussen een brandstofcel en een batterij. Een stroombatterij blijft stroom leveren zolang er nog voldoende elektro-actief materiaal in het reactorvat of in de voorraadvaten aanwezig is. De opgeslagen energie hangt af van de grootte van de voorraadvaten. Het grote voordeel van stroombatterijen is dat de capaciteit eenvoudig kan verhoogd door de capaciteit van de opslagvaten te vergroten. Het vermogen hangt af van het uitwisselingsoppervlak aan de elektroden. Een verschil met de brandstofcel is dat de voorraadvaten weer gevuld kunnen worden met elektro-actief materiaal door de stroom om te keren en de batterij daarmee weer op te laden. Een andere mogelijkheid om de stroombatterij weer op te laden is het vervangen van de elektrolyten in beide voorraadvaten met nieuw elektro-actief materiaal. Dit is overigens niet mogelijk bij de Zn-Br batterij omdat daar de elektrode in het reactorvat het elektro-actieve element (Zn) bevat.

De zink-bromide batterij

Een type stroombatterij is de zink-bromide batterij. Deze batterij bestaan uit twee opslagvaten met een elektrolyt (redoxkoppels) met daarin de materialen die ladingdragers kunnen opnemen of afstaan. Het elektrolyt met het elektro-actieve materiaal wordt, door een reactor, van het ene vat naar het andere vat gepompt. De reactor bestaat uit een elektrolytische of elektrochemische cel met elektroden en een membraan. Tijdens het transport vinden in de reactor aan de elektroden reacties plaats die ladingen afstaan of juist opnemen zoals dat bijvoorbeeld ook gebeurd bij de loodaccu. Het resultaat is dat er een stroom ontstaat in een elektrisch circuit dat, buiten de batterij om, de elektroden met elkaar verbindt. De figuur geeft het voorbeeld van een zink-bromide stroombatterij.

In beide voorraadvaten komen zink (Zn²⁺) en broom (Br^-) ionen voor. In geladen toestand is de negatieve elektrode bedekt met een laag zink (Zn). In het rechter voorraadvat bevindt zich, behalve de ionen, ook een voorraad broom (Br₂). Wanneer een elektrisch circuit wordt aangesloten op de elektroden gaat de batterij energie leveren en vindt er in de linkerhelft van de reactor aan de anode de volgende reactie plaats:

Zn → Zn²⁺ + 2 e^-

Het zink aan de elektrode gaat in oplossing onder afgifte van twee elektronen (2 e^-). De zinkionen verplaatsen zich door het membraan naar de rechterhelft van de reactorkamer. Het broom in de rechterhelft van de reactor gaat aan de kathode, met opname van twee elektronen, over in twee broomionen:

Br₂ + 2 e^- → 2 Br^-

Broomionen verplaatsen zich van de rechterhelft naar de linkerhelft van de reactor. De elektronen vormen een stroom (I) en leveren dus elektrische energie in het uitwendige circuit van de batterij in een belasting. De ionen worden afgevoerd naar de voorraadvaten waardoor in beide vaten de ionenconcentraties stijgen. De hoeveelheden zink en broom nemen echter af. Wanneer het zink en het broom op zijn is de batterij leeg. Hij kan dan weer geladen worden door een stroom door de batterij te sturen. Dan slaat zink neer op de negatieve elektrode en wordt broom gevormd aan de positieve. Het rendement van deze cel is ongeveer 75%. De Zn-Br-stroombatterij heeft een vermogen tot 1 MW bij een energie van 3 MWh. Door eenheden te combineren kunnen grotere vermogens en grotere energiehoeveelheden worden bereikt [ESA].