Een tweede leven voor de NiFe-accu?

Thomas Alva Edison (1847-1931), wetenschapper, uitvinder, maar vooral zakenman, bezat op enig moment ruim 1400 patenten op zijn naam; sommige op uitvindingen van hemzelf, maar ook andere gewoonweg gekocht van de bedenkers. Hij is vooral bekend door zijn uitvinding van de gloeilamp, de fonograaf (voorloper van de grammofoon) en van de Nikkel-IJzer accu. Hij noemde het zelfs de perfecte accu omdat die niet onderworpen was aan veroudering, volledig vervangbaar was en heel eenvoudige onderdelen kent: IJzeroxide (roest), Nikkel, en als elektrolyt water en zout. Wat wil je nog meer? De accu – die naar hemzelf werd genoemd en daarom de Edison-accu heet – werd door hem in 1901 uitgevonden en in 1913 in een elektrische auto ingebouwd.
Waarom is die accu zo oerdegelijk? Dat heeft alles te maken met zijn opbouw en werking. Waar in een loodzuur accu de elektroden telkenmale worden omgezet (de anode plusplaten van lood in loodoxide, dat “rond gaat zweven”) en bij het opladen weer terug gezet wordt (lood-oxide weer wordt omgevormd naar lood, maar dan op de plaats waar het zwevende loodoxide zich bevond) gebeurt dat bij de Nikkel-IJzer-accu niet. Verspreiding van de vervorming van de elektroden wordt bij die accu voorkomen en daarom kan het chemische verandering bij ontlading en lading telkenmale (en zelfs in principe oneindig maal) worden herhaald.
Edison-accu’s kunnen worden overladen, geheel worden ontladen, droog worden gekookt en weer opnieuw worden gevuld zonder dat ze enige schade oplopen. Je hebt geen loadbalancers of Battery Management Systemen nodig en ze zijn uitermate milieuvriendelijk (geen restafval, geen zuur, ijzer en nikkel als hoofdbestanddeel dat ruim voorradig is); in de Verenigde Staten staat nu nog een accu-pack van Edisons sinds 1930 al onafgebroken gedurende bijna 90 jaar te werken, kortom, waarom gebruiken we ze niet???

De werking van de NiFe-accu

Het principe is eigenlijk heel eenvoudig: de anode (pluspool) van de accu bestaat uit IJzerhydroxide (Fe(OH)₂ ) en de kathode (minpool) uit Nikkelhydroxide (Ni(OH)₂). Tijdens het opladen worden elektronen aan de accu toegevoegd en verandert de anode in gereduceerd IJzer en aan de kathode Nikkeloxide-hydroxide. Zodra di proces geheel is voltooid en de accu zal worden overladen gaat een ander proces in werking: de elektrolyse van het elektrolyt water. Waardoor waterstofgas aan de pluspool en zuurstof aan de minpool vrijkomt. Samen vormen die het overbekende knalgas.

Waarom wordt de NiFe-accu bijna niet gebruikt?

Het antwoord is drieledig:
1. de energiedichtheid van de NiFe-accu is erg laag;
2. het opladen duurt erg lang en tenslotte,
3. bij langdurig overladen komt waterstof vrij en dat is niet geheel onschuldig.

De lage energiedichtheid van de accu speelt hem parten.

Een lage energiedichtheid betekent dat je een groot volume aan accu krijgt als je een klein beetje vermogen tot je beschikking wilt hebben. Kijk eens even naar deze lijst Edisons van Batterij-Supplies, één van de grootste accu-leveranciers in België:

Stel we willen een 100 Ah accu opgebouwd uit NiFe-cellen. Één cel van 1,2V die dat zou kunnen leveren is de NiFe100-S met als maten l x b x h (in mm) 80 x 141 x 365 en een gewicht van 6,2 kg. Daar hebben we er dan 10 van nodig en dan krijgen we een accu-pack van ruim 40 x 28 x 36 cm(!) met een gewicht van 62 kg. Een accu-pack van 240 Ah wordt dan al bijna 250 kg zwaar. De lange laadtijd is voor stationaire toepassingen niet zo heel erg, maar daar wordt aan gewerkt door de Stanford Universiteit. Op basis van nano-technologie hebben ze al bereikt dat je een cel van 1,2V 100 Ah in 10 minuten kunt opladen, waardoor een 12V 100 Ah accupack in 2 uur vol te krijgen zou zijn.

Bij langdurig overladen ontstaat waterstofgas

Tot slot het ontstaan van waterstofgas bij langdurige overlading. Dit nadeel is in 2015 door onderzoekers van de TU omarmd als een extra nuttig gegeven. Bij de presentatie in 2016 van het eerste prototype van hun Battolyser zoals ze het beestje noemen (een samentrekking van Batterij en elktrolyser) zei hoogleraar Fokke Mulder: ““Omdat de batterijwereld en de waterstofwereld met elkaar concurreren, heeft eigenlijk nooit iemand geprobeerd de twee te combineren”. De nieuwe vinding werkt tot hij bijna vol is als een gewone accu die direct kan schakelen tussen op- en ontladen. Als de accu na langere perioden van overtollige wind- of zonnestroom bijna vol is, is het nikkel in de accu bedekt met een laag nikkelhydroxide. Die stof is al decennia in gebruik als katalysator in de chemische industrie en uitermate geschikt voor de productie van waterstof. Die opgewekte waterstof wordt gebruikt als brandstof of elektriciteit op te wekken (zie de pagina “De waterstofcamper komt” voor een motor die op basis van waterstofgas elektriciteit opwekt) Hij heeft nog slechts één nadeel: in de waterstofstand verbruikt de accu zijn eigen elektrolyt, maar dat is eenvoudig (met water!) bij te vullen. Ook zijn nikkel en ijzer op aarde in zeer ruime mate voorradig (en volledig recyclebaar), terwijl de Lithium en Kobalt (voor de LiFePO4-accus) -mijnen de aankomende jaren flink moeten opschalen om aan de vraag te kunenn voldoen en bijgevolg -als veel zeldzamere metalen – hoe langer hoe schaarser worden.
In de Eemshaven draait sinds begin dit jaar een testopstelling van de TU Delft in samenwerking met Proton Ventrues uit Schiedam en de eerste resultaten zijn meer dan bemoedigend.

Ongeschikt in mobiele toepassingen maar uitstekent toepasbaar in zon-energiecentrales

Kortom: het zal mij niet verbazen als het roer voor stationaire accu’s in zonne-energie installaties binenn afzienbare tijd om gaat en we op dat punt de grote Lithium-containers in de wijken niet zullen zien verrijzen. Voor mobiele toepassingen is deze vorm helaas ongeschikt vanwege zijn grote gewicht.

3 december 2019