EO

Batterijtechnologie ontwikkelt zich gestaag

21 januari 2019 om 11:28 uur

Figuur 1: Schema en basischemie voor een Li-ion-batterij met grafiet-anode en kobaltoxide-kathode.Reacties (van links naar rechts: ontladen; van rechts naar links: laden): Positieve elektrode (kathode): CoO2 + Li+ + e– LiCoO2 Negatieve elektrode (anode): LiC6 C6 + Li+ + e– (Bron schema: J.B. Goodenough & K.-S. Park, “The Li-Ion Rechargeable Battery: A Perspective”, J. Am. Chem. Soc., 2013, vol. 135 (4), pp. 1167-1176)

De technologie voor opslag van elektrische energie kent uitdagingen in elektronica en regeltechniek, denk aan ‘battery management’ en ‘smart grid’, maar de basis ligt toch in de materiaalkunde. Zo kan van lithium-ion-batterijen, de huidige lichtgewicht-standaard, zowel de veiligheid als de capaciteit nog omhoog. De Utrechtse hoogleraar Petra de Jongh zet in op batterijen met een vast elektrolyt en onderzoekt nieuwe materiaalopties voor de elektroden.

 

Door Hans van Eerden


Als lichtste metaal in het periodiek systeem is lithium bij uitstek geschikt voor de lichtgewicht opslag van elektrische energie. Voor toepassingen waar gewicht/massa (en/of volume) zwaar telt, zoals in consumentenelektronica en elektrische auto's, zijn Li-ion-batterijen dan ook favoriet. Een gangbare uitvoering bevat bijvoorbeeld een grafiet-anode, een kobaltoxide-kathode en een vloeibaar elektrolyt. (zie in figuur 1, het schema van ‘uitvinder' van de lithium-ion-batterij John B. Goodenough en de bijbehorende basischemie; een mooie animatie is te vinden op www.energy.gov/eere/articles/how-does-lithium-ion-battery-work). Daarmee zijn meteen de nodige uitdagingen benoemd. In de grafiet-anode zijn maar liefst zes koolstofatomen nodig om één lithium-atoom op te slaan; dat zorgt voor een ongunstige massa-capaciteitverhouding. Het kobalt in de kathode is een relatief kostbaar metaal dat bij een verder toenemende vraag alleen nog maar duurder (en schaarser) zal worden. En tot slot is de elektrolytvloeistof - waarin een zout, zoals lithiumhexafluorfosfaat, is opgelost - een ether. Dat is een licht ontvlambare vloeistof die verantwoordelijk is voor de spectaculaire beelden van ontplofte, brandende smartphonebatterijen.

 

Veiligheid

Ethers worden ondanks hun bezwaren gebruikt vanwege de bijzondere eigenschappen die een elektrolyt moet hebben, verklaart Petra de Jongh, hoogleraar anorganische materiaalkunde aan de Universiteit Utrecht. "De ionen, lithium in dit geval, moeten goed oplossen in de elektrolytvloeistof, reden waarom de meeste andere organische stoffen afvallen. Ze moeten er snel doorheen kunnen bewegen, met een zo laag mogelijke weerstand, terwijl er geen stroom van elektronen ontstaat. Meestal zijn vloeistoffen juist wel geleidend voor elektronen, denk aan water, en geleiden ze daarnaast ook ionen zoals lithium. Het bijzondere van ethers is dat ze wel ionen geleiden maar geen elektronen. Als echter oververhitting optreedt en de behuizing van de batterij kapotgaat, krijg je die vlammen door de verdampende ethers. Dat gaat harder dan het lithium dat spontaan kan ontbranden wanneer het in contact komt met lucht." Deze problemen zijn inherent aan batterijen, aldus De Jongh. "Alles waar je veel energie opslaat in een klein volume is per definitie gevaarlijk."


Veiligheid is daarom, naast capaciteit, een belangrijke factor die de ontwikkeling van batterijtechnologie aanjaagt. "Batterijen zijn in principe veilig, als ze in een gecertificeerde fabriek worden gemaakt en goed worden getest (volgens UL-, IEC- of UN/DOT normen, red.), op tal van mechanische, thermische en elektrische aspecten, maar dat kost veel geld. En om in dezelfde massa meer energie te kunnen stoppen, moeten materialen lichter worden." Op beide fronten zoeken wetenschappers naar nieuwe materialen, om de intrinsieke veiligheid en de capaciteit te vergroten. In een batterij moeten echter alle componenten goed op elkaar zijn afgestemd, zodat materiaalinnovatie voor bijvoorbeeld een elektrode consequenties heeft voor het elektrolyt en de andere elektrode. Dit verklaart volgens De Jongh waarom de ontwikkeling van batterijtechnologie relatief langzaam verloopt.

m Energiedichtheid (in Wh/kg) van verschillende batterij-/accutypen. (Bron: N.S. Choi, P.G. Bruce et al., "Challenges facing lithium batteries and electrical double-layer capacitors", Angew. Chem. Int. Ed. 2012, vol. 51, pp. 9994-10024)

 

Vastestof-elektrolyt

De Utrechtse hoogleraar raakte verzeild in de batterijtoepassingen toen ze onderzoek deed naar de opslag van waterstof (geproduceerd met duurzaam opgewekte energie) en daarvoor de vaste stof lithiumboorhydride, een isolator, gebruikte. Opgesloten in een matrix van silica bleek dit materiaal een zeer hoge geleiding van lithium te vertonen. "Bij analyse zagen we lithium-ionen heel snel door het materiaal rennen. Precies wat nodig is voor de volgende generatie oplaadbare batterijen, bedachten we ons." De verklaring voor de hoge geleiding zoekt De Jongh in het grensvlak. "Op een grensvlak tussen twee materialen treedt een verandering in de elektrische veldverdeling op en dat zorgt voor de geleiding. Het is bekend dat ionengeleiding in dit materiaal afhankelijk is van de hoeveelheid defecten en dus moet je het materiaal zoveel mogelijk uit defecten, en dus grensvlakken, laten bestaan. (Dit in tegenstelling tot enorm goed geleidende materialen die juist slechter kunnen gaan geleiden als ze meer defecten hebben.) Dat betekent op nanoschaal de verschillende componenten goed mengen. Daar valt nog veel te optimaliseren."

 

Voordelen

Het in silica opgesloten lithiumboorhydride vertoont als isolator geen significante geleiding van elektronen of negatief geladen tegenionen (omdat het boorhydride veel groter is dan het kleine lithium-ion, dat wel wordt geleid). Bovendien is het als vaste stof veel veiliger dan het vluchtige ether. Tevens werkt deze vastestof-elektrolyt als een kortsluitbeveiliging, die met name nodig is in compacte batterijen, waar de twee elektroden zich dicht bij elkaar bevinden en door aangroei uiteindelijk contact kunnen gaan maken. De huidige vloeistof-elektrolyt-batterijen zijn daarom voorzien van een separator (vaak een poreus polymeerfolie), die beide elektroden van elkaar gescheiden houdt (zoals in het schema getekend). Het vastestof-elektrolyt werkt van zichzelf als een natuurlijke seperator.


Een ander voordeel van toepassing van het vastestof-elektrolyt is dat de relatief inefficiënte grafiet-anode vervangen kan worden door ‘puur' lithium (de metallische vorm), uit energetisch oogpunt de efficiëntste optie voor de anode. Voor een vloeibaar elektrolyt is een metallisch-lithium-anode veel te reactief en dus niet veilig. Bij een grafiet-anode speelt dit probleem niet, omdat er als gevolg van reactie van het elektrolyt met het grafiet van de anode een passivatielaag ontstaat die het lithium in de anode afschermt van het elektrolyt. Die beschermende (maar tevens capaciteitsverlagende) passivatielaag ontstaat echter niet bij metallisch lithium. Zo'n laag is echter ook niet nodig bij het vaste elektrolyt want dat reageert niet of nauwelijks met het lithium.

 

Ook voor de kathode heeft De Jongh alternatieve materialen op het oog, zoals zwavel, dat lichter is dan nu gangbare kathodematerialen als kobaltoxide en nikkelmangaanoxide. Met de configuratie van vastestof-elektrolyt, metallisch-lithium-anode en lithium-zwavel-kathode is ruwweg een verdubbeling van de energiedichtheid ten opzichte van de huidige Li-ion-batterijen (vloeibaar elektrolyt, grafiet-anode, kobaltoxide-kathode) te realiseren (zie de tabel). De hoogste energiedichtheid levert theoretisch een batterij met lithium-lucht-kathode en metallisch-lithium-anode: het lithium wordt bij de kathode aan de (open) lucht geoxideerd (tot lithiumoxide, -hydroxide of -peroxide) en reduceert bij de positieve anode tot de metallische vorm. Het principe is bekend van zink-lucht-batterijen (‘knoopcellen'), die echter niet oplaadbaar zijn. De kunst is om voor een lithium-lucht-batterij een omkeerbaar proces, voor duizenden keren opladen en ontladen, te realiseren. In de praktijk lijkt dat lastig te realiseren, al was het maar omdat lucht niet alleen uit zuurstof bestaat.

j Ontwikkeling van batterijtypen zoals die in 2012 werd voorzien. (Bron: N.S. Choi et al.)

 

Druk

Met de lithium-lucht-batterij als utopische stip aan de horizon, komen Li-ion-batterijen met vast elektrolyt nu binnen bereik. Ze bestaan al in dunnefilmuitvoeringen voor hoogwaardige toepassingen zoals in pacemakers, waar lange levensduur en betrouwbaarheid cruciaal zijn en de hoge kostprijs geen bezwaar is. Voor grootschalige, kostenefficiënte toepassingen moet in Utrecht en elders echter nog het nodige onderzoek worden uitgevoerd. Onder meer naar de optimale samenstelling van de elektroden; aan een lithium-zwavel-kathode kan bijvoorbeeld koolstof worden toegevoegd voor een beter functioneren. Of naar het contact tussen de verschillende materiaallagen in een batterij die onder invloed van opladen en ontladen telkens weer uitzetten en krimpen. Petra de Jongh: "Batterijen staan onder druk, om de lagen in contact met elkaar te houden, maar voor grote exemplaren van onze vastestof-elektrolyt-batterijen moeten we nog onderzoeken of die druk werkt." Druk staat er in ieder geval op de batterij-onderzoekers, want de hooggespannen batterijmarkt zal nog lang niet krimpen.

 

Nederland batterijland?

In Nederland vindt het nodige wetenschappelijk onderzoek plaats aan oplaadbare batterijen, onder meer aan de TU's en de universiteiten van Utrecht en Groningen. Zo werkt zowel de TU Delft, samen met Shell, als Petra de Jongh's groep in Utrecht, samen met Groningen, aan vastestof-elektrolyt lithium-zwavel-batterijen. Omdat ons land echter geen grote industrie voor consumentelektronica en (elektrische) auto's kent, zijn er hier geen grote spelers in de productie van oplaadbare batterijen voor deze mobiele toepassingen.


Wel zijn er diverse start-ups. Zo past LeydenJar Technologies een silicium-anode toe met een veel grotere capaciteit dan de nu gangbare grafiet-anode. BMW ziet er wat in, getuige de winst voor LeydenJar Technologies in de BMW Startup Challenge 2017. Ook voor statische toepassingen worden opslagsystemen gebouwd, onder meer door Elestor. Dit Arnhemse bedrijf ontwikkelt waterstof-broom-flow-batterijen voor decentrale opslag van duurzaam opgewekte elektriciteit (van wind of zon). Prijs is hier de doorslaggevende factor, vandaar een ander werkingsprincipe met relatief goedkope uitgangsmaterialen.


Bundeling van krachten moet komen van Battery.nl, een nieuw initiatief van onderzoeksinstellingen en bedrijven. Petra de Jongh is een van de initiatiefnemers en onder meer automobielfabrikanten zijn erbij betrokken. De partners in het Battery.nl consortium gaan meedingen naar nationale en Europese onderzoeksgelden. Op materiaalkundig gebied zijn er in ieder geval nog voldoende uitdagingen.

 

Video's

Barrel rolls en nose dives

Barrel rolls en nose dives

Piloot Aaron Fitzgerald van het Red Bull Air Force team, laat in deze video zien dat hij beschikt…

Trillingsdempingstechnologie volgens Edd China

Trillingsdempingstechnologie volgens Edd China

Sandvik Coromant heeft ingenieur en uitvinder Edd China gestrikt om de wetenschap achter gestemde …

Bettink Service Team heeft zijn wereldwijde windmolens binnen handbereik

Bettink Service Team heeft zijn wereldwijde windmolens binnen handbereik

Bettink Service Team gaat waar de wind hen drijft. Ze beheren windmolens verspreid over de wereld,…

Coming up: dynamic inclinometer

Coming up: dynamic inclinometer

Ook onder dynamische omstandigheden moet u kunnen vertrouwen op een betrouwbare hoekmeting. Een…

Piepkleine ‘springbot’ klaar voor de wijde wereld

Piepkleine ‘springbot’ klaar voor de wijde wereld

De piepkleine springende robot Salto heeft geleerd om zichzelf overeind te houden, zonder feedback…

Meer videos »

Laatste nieuws

Kabinet investeert in ruimtevaart voor maatschappelijk belang

Kabinet investeert in ruimtevaart voor maatschappelijk belang

Het Nederlandse kabinet zet de komende jaren in op aardobservatie, satellietcommunicatie en het toepassen van satellietdata en -signalen vanwege hun maatschappelijke belang en de economische kansen. Dat staat in de Nota…

Een veiligere stad met slimme sensoren?

Een veiligere stad met slimme sensoren?

De gemeente Amsterdam probeert de stad veiliger te maken door voetgangersdrukte met sensortechnologie beter te reguleren. Bij grote evenementen en drukke gebieden zoals de Wallen en de Kalverstraat, worden besluiten…

Kapitaal voor elektrochemie en groene waterstof

Kapitaal voor elektrochemie en groene waterstof

De overheid geeft 25,7 miljoen euro subsidie aan vier initiatieven op het gebied van duurzame energieopslag en -conversie. Het gaat om een tenure-track programma met NWO en bedrijven om de fundamentele kennisbasis in…

Meer nieuws »

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Gratis nieuwsbrief

safety update
 

Product van de maand

RSS
Groot bereik - wereldwijde toepassing - veilige gegevensoverdracht

Schmersal lanceert nieuw veiligheidslichtscherm met Bluetooth-interface Voor het eerst lanceert de Schmersal-groep een...

Agenda

26 juni 2019, Odense (DK)

Odense Investor Summit

Odense houdt 26 juni een Investor Summit voor de roboticasector.

26 juni 2019, Eindhoven

Fontys TEC Expo

Overzichtstentoonstelling van het werk van een internationale en interdisciplinaire groep studenten (50...

Meer agendapunten »