Om duurzame energie uit zon, wind en water te kunnen opslaan, voor gebruik thuis, in de industrie of in het verkeer, hebben we batterijen nodig. De vereisten: licht, veilig, goedkoop en met een veel hogere energiedichtheid dan de huidige generatie. Nederlandse ingenieurs dichten zichzelf grote kansen toe. Wordt ons land op batterijgebied daadwerkelijk een innovatieland?
Batterijen die zich binnen enkele minuten opladen, varianten van silicium of zelfs exemplaren die geuren naar vanille. Wereldwijd wordt uitvoerig onderzoek gedaan naar batterijen. Maar veel concreets heeft dat voor de consument nog niet opgeleverd: de herlaadbare batterij zoals we die nu kennen, is nog vrijwel gelijk aan de eerste commerciële lithiumionbatterij zoals die in 1991 werd geproduceerd. In deze batterij bewegen lithiumionen vanuit de kristalstructuur van de grafieten anode naar de kobaltoxidekathode als er stroom wordt geleverd.
Voor een succesvolle energietransitie zijn veel en betere batterijen nodig. In razend tempo ontwikkelen wetenschappers veelbelovende technieken voor de volgende generatie batterijen die geschikt zijn voor elektrische auto’s, zuinige consumentenelektronica en kortetermijnopslag van duurzame energie. In deze wereldwijde zoektocht zet Nederland zich langzaamaan prominent op de kaart als hightech batterijen land. Zo wordt er gewerkt aan alternatieve elektrodematerialen om de energiedichtheid te ver hogen en aan veiligere elektrolyten zonder oplosmiddelen. Een andere onderzoekslijn richt zich op het vervangen van de relatief dure ladingdrager lithium.
Reactief
De onderzoeksgroep van Marnix Wagemaker, hoogleraar elektrochemische energieopslag aan de Technische Universiteit Delft (TU Delft), is een van de leidende groepen in Nederland op het gebied van batterijen. Met fundamenteel onderzoek draagt hij bij aan nieuwe concepten, zoals de lithiumionbatterij met een lithiummetaalanode. ‘Want welk metaal kan meer lithiumionen opslaan dan lithium zelf?’, zegt de onderzoeker.
Theoretisch gezien zou een lithiumanode dit batterijtype tot de maximale energiedichtheid moeten brengen. Eenvoudig is dat niet. Lithiummetaal is zeer reactief, waardoor het binnen de kortste keren reageert met de elektrolyt en die onwerkzaam maakt.
Een nieuw ontwikkeld type elektrolyt op basis van amiden in plaats van carbonaten zou hier uitkomst kunnen bieden. Door de reactie van de elektrolyt met het metaaloppervlak ontstaat een laagje rondom de anode die de elektrolyt vervolgens weer beschermt. ‘Er is minder contact, waardoor het lithium zich rustiger gedraagt. Ondertussen laat deze laag nog steeds ionen door zodat de batterij blijft werken’, zegt Wagemaker. ‘De elektrolyt zal nog steeds vergaan tijdens het gebruik, maar nu hebben we dat proces flink vertraagd.’
Ademen
Het LeidsEindhovense bedrijf LeydenJar is een stap verder en werkt aan een commerciële lithiumionbatterij met een anode van puur silicium. In de huidige lithium ionbatterij nestelen de lithiumionen zich tijdens het opladen als het ware in de kristalstructuur van de grafieten anode. Per zes koolstofatomen kan deze anode slechts één lithiumion vasthouden. Silicium kan in theorie wel tien keer zoveel van deze ionen bergen en is daarom een populaire vervanger voor de grafieten anode. Maar omdat silicium niet de kristalstructuur van grafiet heeft, is dat niet een op een te vervangen.
Silicium vormt tijdens het opladen een legering met de lithiumionen, waardoor het materiaal uitzet. Een anode van puur silicium is slechts enkele keren te gebruiken. Daarna is ze letterlijk kapot. Onderzoekers van LeydenJar ontwikkelden daarom een poreuze siliciumstructuur die als het ware kan ademen. Zo wordt het materiaal weerbaar tegen het uitzetten door de opname van de lithiumionen en is de anode wél herbruikbaar.
Tesla
De afgelopen vier jaar heeft het bedrijf het ontwerp van deze anode geoptimaliseerd en medio vorig jaar is het gelukt een recordbatterij te maken. ‘De energie dichtheid is 1350 wattuur per liter, 70 procent meer dan de dichtheid van de huidige lithiumionbatterij’, zegt Christiaan Rood, de oprichter van het bedrijf.
LeydenJar wil zich eerst op consumentenelektronica richten, zoals de mobiele telefoon. Daarvoor is de minimale eis dat een batterij vijfhonderd keer kan op- en ontladen. ‘We verwachten dat in 2022 de eerste batterijen met onze silicium anoden op de markt komen’, zegt Rood. De volgende stap is om de levensduur van de anode dermate te verbeteren dat deze geschikt is voor elektrische auto’s. Het bedrijf heeft de ambitie om de grote batterijenfabrieken die Tesla in Europa wil neerzetten te voorzien van hun anoden.
MEER LEZEN OVER DE NIEUWE GENERATIE BATTERIJEN
Het volledige verhaal vindt u in het januarinummer van De Ingenieur. Koop de digitale versie voor € 7,50, of neem - met een flinke korting van 25 % - een digitaal jaarabonnement van twaalf nummers voor € 69,-.
• Ik koop het digitale januarinummer voor € 7,50
• Ik neem een digitaal abonnement voor € 69,-
Openingsbeeld: LeydenJar
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.