Met de eerste anode van puur silicium heeft het Leids-Eindhovense bedrijf LeydenJar een batterij met de hoogste energiedichtheid ter wereld gemaakt. Het bedrijf maakte dit begin deze week bekend.

De huidige lithiumbatterij zit aan zijn limiet van energiedichtheid, wat betekent dat er per gram materiaal niet meer energie kan worden opgeslagen dan nu mogelijk is. Willen we dat onze batterijen steeds langer mee gaan en meer aan kunnen, dan zullen we nieuwe soorten batterijen moeten ontwikkelen.

Het probleem van de batterij zit hem voornamelijk in de anode, de pool waar de energie de batterij instroomt. In de standaardbatterij is deze gemaakt van grafiet, dat een gelimiteerde hoeveelheid lithiumionen kan opslaan. Nu de limiet aan opslag van lithiumionen in grafiet bereikt is, worden andere mogelijke materialen onderzocht.

 

Uitzetten

Silicium is een grote kanshebber. In theorie kan dit materiaal wel tien keer zoveel lithiumionen bergen dan grafiet, maar door de opname van ionen zet dit materiaal uit. Grafiet heeft daar geen last van. De lithiumionen kunnen zich gewoon in de kristalstructuur nestelen. Bij silicium moet er plaats worden gemaakt voor de ionen. Hierdoor kun je een anode van puur silicium slechts eenmaal gebruiken. Daarna is hij kapot.

 

Siliciumspons

LeydenJar, een spin-off van het onderzoeksinstituut TNO, heeft hiervoor een oplossing bedacht. Het maakte 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 het herbruikbaar.

‘Dit is op zich niet nieuw’, zegt Christiaan Rood, oprichter van het bedrijf. Deze kennis heeft LeydenJar al langer. In 2019 bouwde het bedrijf een proeffabriek in Eindhoven om te laten zien dat ze de productie van de siliciumanoden kunnen opschalen. ‘De doorbraak is dat we de siliciumanode zo hebben kunnen optimaliseren dat we de hoogste energiedichtheid ter wereld hebben bereikt. Wel 1350 wattuur per liter, dat is 70 procent hoger dan de huidige energiedichtheid!’, zegt Rood. ‘Ook hebben we met de proeffabriek laten zien dat deze anode gemaakt kan worden op productieschaal.’

 

 

Productiestap

De siliciumanode wordt in slechts één productiestap gemaakt. ‘Hiervoor gebruiken we plasma-enhanced chemical vapour deposition, een techniek die veel wordt toegepast bij de productie van zonnecellen’, zegt Rood. ‘In een vacuümkamer groeien we met een plasma, een geïoniseerd gas, de siliciumstructuur op koper.’ Uiteindelijk maken ze een rol van het anodemateriaal, die direct te gebruiken is in een batterijfabriek.

‘We hebben ervoor gezorgd dat het eindproduct geschikt is voor de productie van batterijen die nu al bestaan’, legt Rood uit. ‘Tesla wil ook in Europa de batterijfabriek Gigafactory opzetten om de productie van Tesla-auto's nog verder op te schalen. Onze anodes kunnen ze in die fabriek gaan gebruiken.’

 

Chips en zonnecellen

Daarnaast komt er bij de productie van deze anode 62 procent minder koolstofdioxide vrij. ‘Wij maken de anodes puur van silicium’, licht Rood toe. ‘Voor de grafietanodes wordt koolstof gebruikt. Wij gebruiken monosilaangas, een productiegas dat vaak wordt gebruikt bij de siliciumproductie voor chips en zonnecellen. Daar komt geen koolstof aan te pas.’

 

Commercieel systeem

Het uiteindelijke doel van het bedrijf is om machines te maken voor de massaproductie van de siliciumanodes. Maar eerst wil het een commerciële machine maken. ‘De productie van de siliciumanode vindt plaats in een vacuümkamer, een soort plasmamodule’, zegt Rood. ‘We willen nu een commercieel systeem maken waarbij je meerdere plasmamodules aan elkaar kan schakelen. Hoe meer modules, hoe sneller het proces.’

 

Foto's: LeydenJar