Nieuwe batterijen voor een schonere wereld

SHARE:
Copied!

Mobiliteit staat of valt met de opslag van energie. Dat geldt ook voor groene stroom, of toevalstroom, zoals het ook wel wordt genoemd. Voor elektrische apparaten zijn batterijen de bron van alle energie, maar afgelopen decennia is de ontwikkeling ervan slechts met kleine stapjes vooruitgegaan. Grote sprongen voorwaarts zijn tot op heden uitgebleven. En moderne Lithium-ion-batterijen die veel gebruikt worden vanwege hun hoge energiedichtheid, hebben nog enkele vervelende nadelen. Zo mag een Li-ion-accu niet te ver ontladen worden, anders raak deze intern beschadigd en dat vraagt weer actieve regelsystemen rond die accu. Daarnaast is de laadsnelheid beperkt. Kortom efficiënte en effectieve energieopslag is een steeds grotere uitdaging aan het worden.

Research
Er gebeurt heel veel research op het gebied van elektrische energieopslag met soms bijna ongelofelijke toekomstbeelden. Zo onderzoekt de Universiteit van Californië Irvine een batterij gebaseerd op nanodraden, draadjes die 1000 maal dunner zijn dan een menselijke haar. Het blijkt dat deze draadjes per stuk duizenden keren kunnen worden opgeladen zonder ook maar enig teken van degradatie te vertonen.

Door honderdduizenden nanodraden parallel te plaatsen, kunnen ze ook flinke stroomsterktes leveren omdat hun oppervlak met het elektrolyt heel groot is. De robuustheid van de minieme haartjes is versterkt door de gouden haartjes te coaten met mangaandioxide. De laatste uitdaging is nu hoe we deze haartjes in massa kunnen produceren.

Solid-state batterijen
Een batterij die zowel vaste elektroden en vast elektrolyt gebruikt noemen we een solid-state batterij. Deze batterij die ooit door Michael Faraday is uitgevonden, kan door zijn gesloten systeem een veel hogere energiedichtheid hebben omdat ze én een hogere temperatuur toelaten én materialen toelaten die in bestaande batterijen onbruikbaar of te gevaarlijk zijn. Daarnaast staan ze snel laden en ontladen toe, leveren ze hogere voltages en hebben ze een lange levensduur.

Maar ze zijn erg duur en kunnen lastig in massa worden gemaakt, schaalgrootte van productie maakt ze nauwelijks goedkoper. Voor smartphones zijn die kosten nog te overzien, maar voor auto’s zouden deze batterijen per auto al gauw honderdduizend euro’s kosten. Daarnaast gaat de performance en de laadsnelheid bij temperaturen onder het vriespunt snel omlaag. En tenslotte kunnen ze slecht tegen schokken en langdurige trillingen, hetgeen ze voor auto’s en andere zware installaties voorlopig ongeschikt maakt.

Maar Toyota meldde onlangs dat zij een aantal van de nadelen sterk heeft weten te verminderen en het mogelijk heeft gemaakt een solid state-batterij te maken die in zeven minuten kan worden geladen en ontladen. Ideaal voor auto’s en deze batterij heeft zelfs bewezen tussen minus dertig graden en honderd graden Celsius te kunnen functioneren. Omdat de prijs nog steeds (te) hoog is, zullen we ze nog niet snel in auto’s zien, maar de ontwikkelingen gaan de laatste jaren echt veel sneller dan ooit.

Grafeen
Batterijen kunnen ook van grafeen zijn gemaakt en die stof wordt soms het wondermateriaal voor de toekomst genoemd. De wetenschappers Andre Geim en Kostantin Novoselov wonnen er in 2010 de Nobelprijs voor en het wordt ook wel het dunste en tegelijkertijd sterkste materiaal ter wereld genoemd. Daarnaast is het een extreem goede geleider voor elektriciteit en warmte, kan het goed tegen hitte en is het bijna ondoordringbaar. Zelfs als halfgeleidermateriaal is het beter en stabieler dan silicium, dus de interesse voor dit materiaal is groot.

Ook in het batterij-onderzoek wordt veel geëxperimenteerd met grafeen. Er zijn al batterijen gemaakt die ruim dertig maal sneller dan Lithium-ion opgeladen kunnen worden. Ook de stroomafgifte kan lange tijd hoog zijn, hetgeen voor auto’s een belangrijke zaak is. Het Spaanse bedrijf Grabat is druk bezig met de ontwikkeling van deze batterijen en meldde al in 2016 dat het binnen een jaar een accu zou uitbrengen die auto’s tot 800 km actieradius zou gaan geven. Helaas is geen informatie beschikbaar over de status van hun ontwikkeling .

Micro supergeleiders
Op het gebied van supergeleiding vinden ook interessante ontwikkelingen plaats die een doorbraak in de batterijtechniek kunnen opleveren. Onderzoekers aan de Rice University pionieren met grafeen dat met een laser wordt opgebracht en op die wijze op kamertemperatuur supergeleidend kan worden. Supergeleiding is de heilige graal voor energieopslag en -transport, omdat de verliezen werkelijk nul worden. Met de toepassing van supergeleidende materialen kunnen zelfs bestaande batterijen al 50 maal sneller geladen en ontladen worden en daarnaast per saldo meer energie kunnen opslaan.

Door de electrode-patronen met een laser op plasticvellen te printen, zijn de productiekosten laag. Daarnaast is het plastic soepel en kan in elke vorm gevouwen worden. Er zijn proeven gedaan waarbij zo’n van electroden voorzien laagje plastic meer dan tienduizend keer heen en weer gevouwen kon worden zonder kapot te gaan en dus hele nieuwe toepassingen kan opleveren. De researchers zijn overtuigd dat op supergeleiding gebaseerde condensatoren eens de oude, bestaande batterijen zullen gaan vervangen. Deze ontwikkeling gaat gestaag door en momenteel kunnen ze als supplement van een gewone batterij al een prachtige hybride aanvulling zijn om kortstondig hoge vermogen te leveren of op te slaan.

Foam-batterijen
En dan hebben we nog de ontwikkeling van zogenaamde foam-batterijen die 3D worden geprint. Hiermee kan de dichtheid sterk worden vergroot en kunnen de productiekosten laag blijven. Vooralsnog gaat het om beperkte vermogens zoals voor draagbare devices. Maar men denkt dat het materiaal zich leent om verder op te schalen tot mobiele telefoons en later zelfs voor auto’s.

Ook met vele andere materialen en combinaties zoals aluminiumzuurstof, waterstof, carbon, soda en zink blijken heel interessante opslagmogelijkheden te ontstaan. Wereldwijd is de ontwikkeling van batterijen werkelijk in een enorme stroomversnelling gekomen. Linksom of rechtsom zullen daarom de komende tien jaar veel betere en/of goedkopere batterijen op de markt komen, afhankelijk welk bedrijf het eerst de grootschalige en schone productie daarvan in de vingers zal krijgen. Want daar zit voorlopig de grootste bottleneck.

Vervuilend
De vraag naar batterijen is enorm, maar helaas is de productie een zeer milieuonvriendelijk proces. De productie van batterijen vereist veel energie, voor een niet oplaadbare batterij zelfs meer dan de batterij ooit kan leveren. Het zijn grootgebruikers van zware metalen en niet hernieuwbare grondstoffen. Daarom is recycling van batterijen lastig en duur. Vanuit dat standpunt gezien zijn batterijen absoluut niet duurzaam.

Echter goede, schone oplaadbare batterijen kunnen die balans direct laten omslaan, gezien de energiebesparing en opslag van schone energie die er mee mogelijk is. Reden temeer om veel energie in de ontwikkeling naar nieuwe, schonere en vooral betere accu’s en batterijen te steken. Onze wereld verdient dat.

Continue Reading
Would you like to read more like this?

Related Posts

Click to Load More
All comments are moderated. Unrelated comments or requests for service will not be published, nor will any content deemed inappropriate, including but not limited to promotional and offensive comments. Please post your technical questions in the Support Forums or for customer service and technical support contact Dell EMC Support.