Meer energie per gram

Wetenschap van de 21e eeuw: betere batterijen

  • Door: Paul Schilperoord (Noorderlicht)
batterij symbool
Zoom
batterij symbool

Elke week gaan we in gesprek met een toonaangevende wetenschapper over de belangrijkste ontwikkelingen in zijn of haar vakgebied van de laatste twaalf jaar. In de tweede aflevering vertelt Peter Notten hoe de batterijtechnologie is verbeterd.

batterij symbool
Zoom
batterij symbool

Je hebt de afgelopen jaren vast artikelen gelezen die minuscule batterijen met razendsnelle oplaadtijden en enorme capaciteiten beloofden. Batterijen zijn inderdaad wel wat kleiner en sterker geworden, maar na een paar telefoontjes en even internetten moet je smartphone weer urenlang aan de oplader. Waar blijft toch die superbatterij?

‘Vooral bij de mobiele telefoon zie je een curieuze ontwikkeling’, zegt Peter Notten, hoogleraar aan de faculteiten Scheikundige Technologie en Electrical Engineering van de TU Eindhoven. ‘De elektronica wordt steeds efficiënter en gebruikt steeds minder energie. De opslag zou dus ook steeds kleiner moeten kunnen worden. Maar de telefoons worden tegelijkertijd steeds geavanceerder. Het toestel van vijf jaar geleden had daarom veel minder energie nodig dan de telefoon van nu. De ontwikkeling van batterijen duurt lang en verloopt heel geleidelijk, dus per saldo doe je nu korter met je batterij dan toen.’

De twee systemen waar de wereld het nu over heeft zijn de nikkelmetaalhydride en de lithium-ion batterij, zegt Notten. ‘De nikkelmetaalhydride batterij wordt veel toegepast in hybride auto’s en de lithium-ion batterijen zitten vooral in consumentenelektronica. Met name de mobiele telefoon is de driver geweest om deze technologie tot grote hoogte te brengen. Vanuit de consumentenelektronica zijn de batterijsystemen zich momenteel aan het ontwikkelen naar zowel heel kleine als heel grote toepassingen. De grote driver is nu het elektrisch vervoer.’

Ontwikkeld in Eindhoven
De nikkelmetaalhydride (NiMH) is de opvolger van de nikkelcadmium (NiCd) batterij. Het NiMH-concept is al rond 1970 ontwikkeld door het Natuurkundig Laboratorium (NatLab) van Philips Research in Eindhoven, waar Notten zelf jarenlang heeft gewerkt. De lithium-ion (Li-ion) batterij is in de jaren negentig in Amerika ontstaan en door de Japanners op de markt gebracht. Beide elektrochemische systemen bestaan uit twee elektroden (de positieve anode en de negatieve kathode), die elektrisch zijn gescheiden door een poreuze seperator die is gedrenkt in een elektrolyt. In de NiMH batterij wordt een waterig elektrolyt en een anode van metaalhydride toegepast, waar tijdens het opladen waterstof in wordt opgeslagen. Bij de Li-ion batterij wordt lithium opgeslagen in een anode van koolstof. De Li-ion batterij heeft een organisch elektrolyt met daarin opgelost een hoge concentratie lithiumzout.

Batterij voltaïsche cel
Zoom
Batterij voltaïsche cel
Hier zie je een voltaïsche cel, de basis van elke batterij. Positief geladen ionen bewegen naar de kathode, negatief geladen exemplaren naar de anode. Elektrolyt is de vloeistof waarin die ionen opgelost zitten. De ionen geven elektronen af aan de anode, waarna ze naar de kathode stromen, waar ze verenigd worden met de positief geladen ionen. Onderweg kun je hun energie aftappen.

De batterijtechnologie is dus al geruime tijd vooral gericht op het verder doorontwikkelen van de NiMH en de Li-ion principes. Dat is ook niet zo gek, zegt Notten: ‘Als je naar het periodiek systeem kijkt dan zie je dat waterstof en lithium twee van de kleinste en lichtste elementen zijn. En het zijn ook de kleinste energiedragende deeltjes. Er zijn andere concepten zoals de magnesium- of de zwavelbatterij, maar de nikkel-metaalhydride en de lithium-ion batterijen zijn toch nog altijd heel aantrekkelijk. De materialen die worden toegepast om lithium en waterstof in op te bergen gaan wel veranderen. Die zorgen voor de vooruitgang.’

Op dat gebied zijn in de afgelopen tien jaar ontdekkingen aan te wijzen die tot belangrijke doorbraken kunnen gaan leiden. Een jaar of acht geleden, toen Notten nog voor de elektronische industrie werkte, werden de eerste proeven gedaan met lithiumopslag in een anode van silicium in plaats van koolstof. ‘In silicium is heel veel lithium op te slaan. Dat loopt afhankelijk van het type verbinding op tot zeker vier lithiumatomen per siliciumatoom. Dat is tien keer zoveel als in koolstof waardoor het vermogen ook vertienvoudigt. Dat maakt het tot een heel interessant materiaal.’

Als een pudding
‘In het lab hadden wij homogene éénkristallijne silicium-wafers. Daar hebben we een draad aan gesoldeerd en ze beladen en ontladen met lithium. Er ging zoveel lithium in dat er een enorme volume-expansie was. En na het ontladen zakte het materiaal als een pudding in elkaar. Het was helemaal kapot gegaan. Dit bleek later te voorkomen door een dunne film van silicium te verlijmen op een harde ondergrond. Dan kan de volume-uitzetting maar één kant op en in die richting verloopt het proces wel stabiel.’

‘Als dit principe geschikt zou worden voor bulktoepassingen dan krijgt de lithium-ion batterij in een keer heel veel meer capaciteit. Daarnaast werken we voor de nikkel-metaalhydride batterijen ook nog aan lichtgewicht magnesiumverbindingen die vijf keer meer waterstof kunnen opslaan. Dit zou in de toekomst gebruikt kunnen worden als elektrodemateriaal maar zo ver zijn we nog niet.’

‘Het systeem op basis van flinterdun filmmateriaal van silicium is zo klein te maken dat de batterij ook een component kan worden in elektronica. Dan praat je over een vermogen in milliwatts want het vermogen is direct afhankelijk van de grootte van de batterij. Deze ontwikkeling is in feite veel meer IC technologie dan batterijtechnologie.’ (IC staat voor Integrated Circuit, een geïntegreerde schakeling, oftewel computerchips.) ‘Hierdoor is deze techniek ook vele malen duurder. Dat komt op honderdduizend dollar per kilowattuur tegenover vijfhonderd dollar bij een gewone batterij.’

Microbatterijen
‘Het onderzoek naar de batterij als IC component is een jaar of vijf geleden ingezet. We werken nu samen met het IC laboratorium Imec in Leuven aan de doorontwikkeling voor IC toepassingen. Inmiddels zijn we zo ver om demonstrators te gaan maken. Het systeem is nog niet productierijp maar de interesse is er wel. IC fabrikanten zoeken naar nieuwe markten en die pikken dit wel op.’ Deze microbatterijen zijn bijvoorbeeld toe te passen in medische implantaten en elektronische pillen. ‘Daarvoor ontwikkelen we bovendien elektrolyten van vaste stof. Want als er kans is op lekken in het lichaam dan wil je absoluut geen vloeibaar elektrolyt gebruiken.’

Alternatieve elektrodematerialen kunnen ook een doorbraak betekenen voor het elektrisch vervoer – de grote drijvende kracht achter huidige batterij- en accu-ontwikkelingen. Notten: ‘De capaciteit van batterijen gaat nu elk jaar gemiddeld vijf tot zeven procent omhoog. Batterijen zijn dus al wel verbeterd, maar elektrische auto’s halen nog steeds niet de actieradius van een auto op benzine of diesel. Een kilowattuur levert grofweg vijf tot zeven kilometer op. Dat betekent dat een auto met een accupakket van vijftig kilowattuur nu 250 tot 350 kilometer kan afleggen.'

Ultieme droom
'Het verhaal van de silicium-anode in lithium-ion batterijen kan dat flink vergroten. Maar de ultieme droom is de lithium-lucht batterij waarbij je zuurstof die de kathode voedt uit de lucht haalt. Hierdoor valt de chemische opslag in de kathode weg en wordt de energiedichtheid nog groter. Die ontwikkeling zal echter nog zeker een à twee decennia duren.’

Omdat onderweg snel opladen van de accu’s nog maar beperkt kan, hebben elektrische auto’s zoals de Opel Ampera een zogenaamde range extender aan boord. Dit is een kleine generator met verbrandingsmotor die op de lange afstanden elektriciteit opwekt. ‘In de toekomst zou je die range extender kunnen vervangen door brandstofcellen op waterstof. Of zorgen dat snel laden van de accu’s mogelijk wordt. Commerciële bedrijven noemen nu al oplaadtijden van vijftien tot dertig minuten. Maar dat gaat niet zomaar. Vijftien minuten is al heel snel voor een groot accupakket.’

Het probleem van heel snel opladen is dat de kans op energieverlies in warmte en beschadiging van de batterij of accu sterk toeneemt. Het Batterij Management Systeem (BMS) moet dit proces zo efficiënt mogelijk laten verlopen. Afhankelijk van het batterijtype kunnen deze systemen behoorlijk complex en kostbaar zijn. Met behulp van een BMS zijn Li-ion batterijen te boostchargen, waarbij de batterij voor een deel heel snel is op te laden zonder dat de levensduur wordt aangetast.

Notten: ‘Het probleem bij een lithium-ion batterij is dat het organische elektrolyt bij overladen gaat ontleden en niet meer kan terugreageren. Hierdoor gaat de batterij kapot. Het Batterij Management Systeem moet er voor zorgen dat de laadapparatuur niet tegen die grenzen aanloopt. Bij een nikkel-metaalhydride batterij ligt dat anders. Die kan namelijk wel iets overladen en ook overontladen, omdat er dan een andere omkeerbare chemische reactie gaat lopen.’

Verdubbeld bereik
‘Nieuwe ontwikkelingen gaan altijd eerst traag en versnellen daarna. De introductie van elektrische auto’s zou eigenlijk moeten meelopen met de ontwikkeling van duurzame elektriciteit. Het bereik van de elektrische auto zou in de komende tien tot vijftien jaar kunnen verdubbelen. De noodzaak voor een range extender valt dan misschien wel helemaal weg. Zeker als we straks ook nog in een kwartier kunnen bijladen.’

Voor de consument is een kwartier ‘elektrisch tanken’ misschien relatief lang, maar zoals Notten zegt: ‘De consument zal bepaald gedrag misschien iets moeten aanpassen. En van de ANWB moet je eigenlijk toch elke twee uur stoppen voor een rustpauze.’

reacties