Snoerloos samenleven

Laptop, mobieltje, camera en mp3-speler: ze moeten al snel worden opgeladen.

Ook in Europa wordt koortsachtig gewerkt aan een accu die het langer uithoudt.

„Tien uur”, belooft Yi Chui door de telefoon. „Tien uur werken met je laptop. Dat zal zeker mogelijk zijn.” En wanneer? „Over vijf jaar zal er zo’n accu op de markt komen”, denkt Yi. Dan moet hij ophangen, want die vijf jaar zijn zo om.

Yi Chui is 32. Hij studeerde in China, promoveerde in Harvard en leidt nu een onderzoeksgroep aan de Amerikaanse Stanford University. Hij is een van de vele onderzoekers op de wereld die werken aan de oplossing van een knellend energieprobleem: hoe verhoog je de capaciteit van oplaadbare batterijen en accu’s? Hoe krijg je het voor elkaar dat je de laptop niet na anderhalf uur moet dichtklappen?

Het draagbare leven is besmettelijk. Aan het strand bellen, in de trein mailen en je op straat laten gidsen door navigatiesatellieten, iedereen wil het. En die mobiele samenleving werkt op oplaadbare batterijen. Om de vraag bij te houden gooit de industrie er jaarlijks een schepje bovenop. Alleen al in Nederland werden in 2006 ruim 37 miljoen oplaadbare batterijen en accu’s verkocht, meldt de Stichting Batterijen (Stibat). In 2000 waren dat er nog geen 20 miljoen.

En die batterijen moeten natuurlijk zo lang mogelijk meegaan. Yi Chui slaagde erin de opslagcapaciteit van de gangbare lithium-ion accu’s in laptops met een factor tien te verbeteren en publiceerde erover in het gezaghebbende tijdschrift Nature Nanotechnology. Het is nog laboratoriumwerk, wel is er contact met een accufabrikant, maar, zegt Yi Chui, „ik kan niet zeggen met welke”.

Erik Kelder, onderzoeker aan de TU Delft en gespecialiseerd in accu’s, kent het onderzoek van zijn collega Yi Chui wel. „Ik snap waarmee hij bezig is. Maar tien keer zoveel opslagcapaciteit voor de totale accu? Daar twijfel ik aan. Vier keer zoveel zou al heel mooi zijn.”

Nou, ook een wenkend perspectief. Want sinds we altijd en overal alles willen doen – en daar dan weer met elkaar over willen overleggen – sinds die tijd wordt onze handelingshorizon bepaald door de hardplastic blokjes en de metalen hulzen waarin we energie opslaan. Neem fotograaf René Mesman. Als hij voor een modereportage op stap gaat, neemt hij heel wat apparaten met oplaadbare batterijen mee. „Eens even tellen”, zegt hij door de telefoon. „Een laptop, een camera, een snapshotcamera, een portable printertje, mijn telefoon, een iPod. Zes stuks. En dan moet ik er steeds op letten dat alles opgeladen is.” „Mijn laptop kan heel veel”, zegt een collega van hem, documentair fotograaf Theo Baart. „Maar één ding kan-ie niet: energie vasthouden. Na anderhalf uur moet-ie alweer aan het infuus.”

Dat is het probleem. In de snoerloze samenleving kun je gaan en staan waar je wilt, maar je bent overgeleverd aan de capaciteit van de accu en oplaadbare batterij. En terwijl de capaciteit van de elektronica volgens de bekende wet van Moore elke twee jaar verdubbelt, neemt de opslagcapaciteit van de oplaadbare energiebronnen veel minder snel toe. „Ik schat”, zegt Jillis Raadschelders, accu-expert bij Kema, „dat er elk jaar drie procent aan energiedichtheid bijkomt.”

De opslagcapaciteit van ook de beste accu’s is beperkt en eigenlijk wacht de hele wereld op een accu-doorbraak. De auto-industrie zou in zijn elektrische en hybride auto’s graag accu’s willen inbouwen die lichter zijn en het toch langer blijven doen. Ook voor elektrische fietsen zou het mooi zijn als je een lichte accu had, die je urenlang hielp bij het trappen. En wie zijn energie uit windmolens of zonnepanelen haalt, zou accu’s willen hebben waar je heel veel energie in kunt opslaan als het eens niet waait of mooi weer is.

Vandaar dat overal koortsachtig wordt gewerkt aan nieuwe accu’s. Ook in Europa. Sinds drie jaar is het zogeheten Alistore-project gaande, een samenwerkingsverband van zestien Europese onderzoeksinstituten en universiteiten. Gezamenlijk doel: Europa naar de voorhoede van het accu-onderzoek brengen. Ook Erik Kelder van de TU Delft werkt binnen dit project. „We proberen de kloof tussen de industrie en de universiteiten te overbruggen, en dat lukt aardig. Er is veel belangstelling van de automobielindustrie, van Toyota, Renault en VW bijvoorbeeld, van Shell, van de chemische industrie. Wij geven ze inzicht in ons onderzoek, en zij stoppen er geld in.”

De tegenwoordig meest gebruikte accu’s in mobiele apparatuur zijn de nikkel-metaalhydride en de de lithium-ion accu. Van die twee is de lithium-ion accu aan een onstuitbare opmars bezig. Hij zit in laptops en in mobiele telefoons. Hij bestaat sinds 1990, en kwam een jaar of tien geleden in algemeen gebruik. De lithium-ion accu heeft vele voordelen boven de accutypen die daarvóór in gebruik waren: loodaccu’s, nikkel-cadmium accu’s en nikkel-metaalhydride-accu’s. Belangrijkste voordeel: een hogere energiedichtheid, dus meer energie per kilo (zie inzet ‘energiedichtheid’). Daar komt elk jaar wel iets bij. „Lithium-ion is op dit moment state of the art”, zegt Jillis Raadschelders van de Kema. „Het leent zich goed voor gebruik in laptops en het is ook nog eens bijzonder licht.”

Maar, als gezegd, de energiedichtheid neemt maar met een paar procent per jaar toe. Dat is eigenlijk te weinig om de mobilisering van het dagelijks leven bij te houden. Elke verbetering van de accu’s wordt onmiddellijk opgesoupeerd doordat de mobiele gadgets steeds meer willen en kunnen: grotere kleurenschermen, beter geluid en combinaties van functies, zoals mp3-spelers op telefoons, en draadloze verbindingen tussen camera’s en computers.

Van alles is er al bedacht. Nog maar een paar jaar geleden kon je horen dat in 2008 de brandstofcel zijn intrede zou doen in de laptop. Een brandstofcel is een soort accu die je niet oplaadt met netstroom, maar waar je een brandstof in giet: diesel, benzine, alcohol of – in een heel geavanceerde variant – waterstof. In de brandstofcel wordt de brandstof geruisloos en direct in elektriciteit omgezet. Ze worden al gebruikt in de watersport en ook het leger gebruikt wel brandstofcellen. Je profiteert dan van de hogere energiedichtheid van de toegevoerde brandstof. Met een litertje alcohol kun je dagenlang je laptop laten draaien. „Maar”, zegt Erik Kelder van de TU, „ik weet het niet hoor. Zo’n cel werkt met een hoge bedrijfstemperatuur, ongeveer 200 graden. Dat zou ik niet in mijn laptop willen hebben. Laat staan in een mobiele telefoon in mijn broekzak.” Een gewone laptopaccu wordt nauwelijks warm.

En Kelder is waarschijnlijk niet de enige. Toen twee jaar geleden een paar laptopaccu’s onklaar raakten en vlam vatten, scheerde de accu-industrie langs de rand van de afgrond. Sony en Dell moesten miljoenen accu’s terughalen. Het had ook het voorlopig einde van de lithium-ion techniek kunnen betekenen. Want de hoge energiedichtheid heeft wel een prijs. Als er een inwendige kortsluiting in een lithium-ion accu ontstaat, is er geen houden aan. De temperatuur stijgt en het inwendige membraan smelt. De opgeslagen chemische energie is geen kalm elektrisch stroompje meer, maar baant zich in de vorm van felle steekvlammen een weg naar buiten. Dat is de voornaamste reden dat lithium-ion accu’s nog niet in auto’s worden toegepast. Met brandstofcellen is dat risico zeker zo groot. Kelder: „Eén ongeluk, en het is voor 5 à 10 jaar van de baan.”

Op dit moment biedt de nanotechniek de meeste perspectieven: de toepassing van heel kleine stukjes silicium of tin. Daardoor kan de lithium-ion accu veel meer lithium bevatten, en dat vergroot de capaciteit van de accu. Yi Cui in Stanford zet zijn kaarten op silicium. „Silicium is de grondstof van de chipsindustrie”, zegt Yi, „Een materiaal dat ruimschoots beschikbaar is en waar we al een hoop ervaring mee hebben.” Kelder in Delft werkt met minuscule stukjes tin, maar is sinds anderhalf jaar ook met silicium in de weer.

Tin of silicium, het is voor de laptoppende, bellende en fotograferende wereld lood om oud ijzer. Als-ie er maar komt, die accu waarmee je de hele dag kunt werken.