In de zoektocht naar een betere batterij zijn medewerkers van de Stanford University erin geslaagd de prestaties van de al langer bestaande aluminiumbatterij flink op te krikken. De batterij is razendsnel op te laden, en opereert heel robuust. Alleen de capaciteit schiet flink tekort.

Aluminium batterijen zijn al langer in het vizier als stroombron: de grondstof is volop verkrijgbaar en dus relatief goedkoop, en ze vliegen anders dan Li-Ionbatterijen nooit in brand. Maar tot nu toe ze leverden een laag voltage en hadden ze  een geringe levensduur.

Hongjie Dai en zijn collega’s van de Stanford University hebben die prestaties aanzienlijk weten te verbeteren door de kathode van grafiet te maken.

Net als in de veel gebruikte Li-Ionbatterij bestaat de aluminiumbatterij uit een kathode, een anode en een tussenliggende vloeistof elektrolyt die zorgt voor het transport van de geladen deeltjes. Bij het opladen gaan de aluminium-ionen van de anode naar de kathode, bij het ontladen keren de aluminium-ionen terug.

Het ontladen van de aluminium batterij

De onderzoekers gebruiken als elektrolyt een ionische vloeistof van aluminiumchloride en methylchloride. Deze vloeistof reageert niet met zijn omgeving, is niet brandbaar, en bevat geen water, zodat er ook geen waterstof kan ontstaan dat de batterij aantast. Het aluminiumchloride zorgt voor het ladingtransport. Vorig jaar werd dit elektrolyt al toegepast door onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory.

Het gebruik van grafiet als kathode pakt goed uit: het poreuze materiaal blijkt heel geschikt om de aluminium-ionen in te vangen en weer vrij te geven. Overigens, ook in andere metaalionbatterijen wordt grafiet al langer toegepast. De onderzoekers pasten een bepaald type toe, zogeheten pyrolitisch grafiet dat in strakke vlakke lagen is gekristalliseerd.

De nieuwe aluminiumbatterij blijkt nu een hogere spanning te leveren (2 V in plaats van 0,5 V), en, nog belangrijker, is dankzij het gebruik van het grafiet heel snel op te laden.

Een belangrijk minpunt is de beperkte hoeveelheid lading die de aluminiumbatterij per gewichtseenheid kan bevatten. ‘Hij presteert op dat punt niet veel beter dan een loodzuuraccu’, zegt dr. Erik Kelder batterijspecialist van de TU Delft. ‘Een Li-Ionbatterij van gelijk gewicht bevat vijf keer zo veel energie.’ Hij verwacht dat op dat punt geen wezenlijke verbetering mogelijk is. ‘Het aluminiumchloride kan nu eenmaal niet meer lading bevatten.’ Alleen door toepassing van een ander batterijconcept, zoals een aluminium-luchtbatterij, valt een duidelijk sprong te maken, wat overigens ook geldt voor de Li-ion luchtbatterij. Maar tot nu toe is het niet gelukt daar een praktisch functionerende energiedrager van te maken.

Gezien de beperkte energiecapaciteit vraagt Kelder zich af welke toepassing de onderzoekers van Stanford voor ogen hebben. ‘Supercapaciteiten laden en ontladen ook heel snel. En bij stationaire toepassingen speelt snel kunnen opladen meestal geen grote rol.’