Redactionele noot: Elektrische technologie is de toekomst van een groene aarde, en batterijtechnologie vormt de basis van deze technologie en is cruciaal voor de grootschalige ontwikkeling ervan. De huidige gangbare batterijtechnologie bestaat uit lithium-ionbatterijen, die een goede energiedichtheid en een hoog rendement hebben. Lithium is echter een zeldzaam element met hoge kosten en beperkte voorraden. Tegelijkertijd, naarmate het gebruik van hernieuwbare energiebronnen toeneemt, is de energiedichtheid van lithium-ionbatterijen niet langer toereikend. Hoe hierop te reageren? Mayank Jain heeft een aantal batterijtechnologieën onderzocht die in de toekomst mogelijk gebruikt zullen worden. Het oorspronkelijke artikel werd gepubliceerd op Medium onder de titel: De toekomst van batterijtechnologie.
De aarde zit vol energie en we doen er alles aan om die energie op te vangen en goed te benutten. Hoewel we betere resultaten hebben geboekt in de overgang naar hernieuwbare energie, hebben we nog niet veel vooruitgang geboekt op het gebied van energieopslag.
Momenteel is de lithium-ionbatterij de hoogste standaard op het gebied van batterijtechnologie. Deze batterij lijkt de beste energiedichtheid, een hoog rendement (ongeveer 99%) en een lange levensduur te hebben.
Wat is er dan mis? Naarmate de hoeveelheid hernieuwbare energie die we opwekken blijft toenemen, is de energiedichtheid van lithium-ionbatterijen niet langer toereikend.
Omdat we batterijen in batches kunnen blijven produceren, lijkt dit geen groot probleem, maar het probleem is dat lithium een relatief zeldzaam metaal is, waardoor de kosten niet laag zijn. Hoewel de productiekosten van batterijen dalen, neemt de behoefte aan energieopslag ook snel toe.
We zijn op een punt aangekomen waarop de lithium-ionbatterij, zodra deze geproduceerd is, een enorme impact zal hebben op de energiesector.
De hogere energiedichtheid van fossiele brandstoffen is een feit, en dit is een belangrijke factor die de overgang naar een volledige afhankelijkheid van hernieuwbare energiebronnen belemmert. We hebben batterijen nodig die meer energie afgeven dan hun gewicht.
Hoe lithium-ionbatterijen werken
Het werkingsmechanisme van lithiumbatterijen is vergelijkbaar met dat van gewone AA- of AAA-batterijen. Ze hebben een anode en een kathode, met daartussen een elektrolyt. In tegenstelling tot gewone batterijen is de ontladingsreactie in een lithium-ionbatterij omkeerbaar, waardoor de batterij herhaaldelijk kan worden opgeladen.
De kathode (+ pool) is gemaakt van lithiumijzerfosfaat, de anode (- pool) is gemaakt van grafiet en grafiet is gemaakt van koolstof. Elektriciteit is niets meer dan de stroom van elektronen. Deze batterijen wekken elektriciteit op door lithiumionen tussen de anode en de kathode te verplaatsen.
Wanneer een batterij is opgeladen, bewegen de ionen naar de anode, en wanneer een batterij is ontladen, bewegen de ionen naar de kathode.
Deze beweging van ionen veroorzaakt de beweging van elektronen in het circuit, dus de beweging van lithiumionen en de beweging van elektronen zijn met elkaar verbonden.
Siliciumanodebatterij
Veel grote autofabrikanten, zoals BMW, investeren in de ontwikkeling van siliciumanodebatterijen. Net als gewone lithium-ionbatterijen gebruiken deze batterijen lithiumanodes, maar in plaats van koolstofanodes gebruiken ze silicium.
Als anode is silicium beter dan grafiet, omdat het 4 koolstofatomen nodig heeft om lithium te binden, terwijl 1 siliciumatoom 4 lithiumionen kan binden. Dit is een aanzienlijke verbetering... waardoor silicium 3 keer sterker is dan grafiet.
Desondanks blijft het gebruik van lithium een tweesnijdend zwaard. Dit materiaal is nog steeds duur, maar het is ook gemakkelijker om de productiefaciliteiten om te schakelen naar siliciumcellen. Als de batterijen compleet anders zijn, moet de fabriek volledig opnieuw worden ontworpen, waardoor de aantrekkelijkheid van de overstap enigszins afneemt.
Siliciumanodes worden gemaakt door zand te behandelen om zuiver silicium te produceren, maar het grootste probleem waar onderzoekers momenteel mee te maken hebben, is dat siliciumanodes opzwellen tijdens gebruik. Dit kan ertoe leiden dat de batterij te snel slijt. Bovendien is het moeilijk om anodes op grote schaal te produceren.
Grafeenbatterij
Grafeen is een soort koolstofvlokken die hetzelfde materiaal gebruiken als een potlood, maar het kost veel tijd om grafiet aan de vlokken te hechten. Grafeen wordt geprezen om zijn uitstekende prestaties in tal van toepassingen, waaronder batterijen.
Sommige bedrijven werken aan grafeenbatterijen die binnen enkele minuten volledig opgeladen kunnen worden en 33 keer sneller ontladen dan lithium-ionbatterijen. Dit is van grote waarde voor elektrische voertuigen.
Schuimbatterij
Momenteel zijn traditionele batterijen tweedimensionaal. Ze zijn ofwel gestapeld zoals een lithiumbatterij, ofwel opgerold zoals een typische AA-batterij of lithium-ionbatterij.
De schuimaccu is een nieuw concept dat de beweging van elektrische lading in een 3D-ruimte mogelijk maakt.
Deze driedimensionale structuur kan de laadtijd verkorten en de energiedichtheid verhogen, wat uiterst belangrijke eigenschappen van de batterij zijn. In vergelijking met de meeste andere batterijen bevatten schuimbatterijen geen schadelijke vloeibare elektrolyten.
Schuimaccu's gebruiken vaste elektrolyten in plaats van vloeibare elektrolyten. Deze elektrolyt geleidt niet alleen lithiumionen, maar isoleert ook andere elektronische apparaten.
De anode die de negatieve lading van de batterij vasthoudt, is gemaakt van geschuimd koper en bedekt met het benodigde actieve materiaal.
Vervolgens wordt een vaste elektrolyt rond de anode aangebracht.
Ten slotte wordt een zogenaamde "positieve pasta" gebruikt om de openingen in de batterij op te vullen.
Aluminiumoxidebatterij
Deze accu's hebben een van de hoogste energiedichtheden van alle accu's. De energie die ze leveren is krachtiger en lichter dan die van de huidige lithium-ion-accu's. Sommigen beweren dat deze accu's een actieradius van 2000 kilometer voor elektrische voertuigen mogelijk maken. Wat is dat voor een bewering? Ter vergelijking: de maximale actieradius van een Tesla is ongeveer 600 kilometer.
Het probleem met deze batterijen is dat ze niet opgeladen kunnen worden. Ze produceren aluminiumhydroxide en geven energie af door de reactie van aluminium en zuurstof in een elektrolyt op waterbasis. Het gebruik van batterijen verbruikt aluminium als anode.
Natriumbatterij
Japanse wetenschappers werken momenteel aan batterijen die natrium in plaats van lithium gebruiken.
Dit zou een grote verandering betekenen, aangezien natriumbatterijen theoretisch zeven keer efficiënter zijn dan lithiumbatterijen. Een ander enorm voordeel is dat natrium het zesde meest voorkomende element in de aardreserves is, in tegenstelling tot lithium, dat een zeldzaam element is.
Geplaatst op: 2 december 2019