Laat 1.000 nieuwe batterijen bloeien

Een nieuwe batterij die is gebaseerd op aluminium laadt supersnel. Of dat tot betere oplaadbare batterijen leidt, moet nog blijken. Wel is zeker dat batterijen beter, goedkoper en belangrijker blijven worden.

Steeds meer wordt ons leven beheerst door batterijen. In de jaren zeventig stond een onoplettende automobilist misschien één keer stil door een lege accu, maar de elektrische rijder van nu lijdt permanent aan range anxiety: hoever kom ik hiermee? En wie een smartphone, laptop of tablet heeft, kijkt steeds met een schuin oog naar het batterij-icoontje.

Regelmatig duiken daarom nieuwe batterij-ontwerpen op, zoals deze week weer eentje in Nature: gebaseerd op het metaal aluminium, beschreven door Hongjie Dai van Stanford University in Californië en collega-onderzoekers. Hun aluminiumbatterij kan in één minuut opgeladen worden.

In een bijbehorende video laat co-auteur Ming Gong zien dat de batterij bovendien plooibaar is. „Dus je kunt een buigbaar mobieltje maken”, zegt hij, knijpend in een zilverkleurig zakje met een brandend ledje eraan. In dezelfde video blijft de batterij het gewoon doen als hij doorboord wordt.

Een doorbraak? „Het nieuws is dat het een nieuw batterijsysteem is; dat zie je niet zo vaak”, zegt hoogleraar energy materials and devices Peter Notten. Notten doet al sinds de jaren tachtig onderzoek naar nieuwe batterijtypen, eerst voor Philips’ onderzoeksafdeling NatLab, nu voor de TU Eindhoven. „Het is een heel leuke publicatie, goed onderbouwd.” Maar ook: „Over de inhoudelijke claims heb ik toch wel het een en ander te zeggen.”

Bij NatLab stond Notten mede aan de wieg van de nikkel-metaal-hydridebatterij, inmiddels veel gebruikt in hybride auto’s. Hij werkt nu onder andere aan de gangbare lithium-ion-batterijen, bekend van laptops en elektrische auto’s, en aan de bijbehorende elektronica.

In enkele decennia zag hij batterij-onderzoek uitgroeien van een relatief rustig hoekje van de elektrochemie tot de onderzoekshausse van nu: aanvankelijk aangejaagd door draagbare elektronica, en inmiddels door de opkomst van hybride- en volledig elektrische auto’s. Notten: „Inmiddels werken duizenden mensen aan batterijenmaterialen en elektronica voor batterijmanagement. Het onderzoek is in een positieve spiraal terechtgekomen.”

Uitdagers van het nu heersende lithium-ion-ontwerp zijn er genoeg: nieuwe, verbeterde batterijconcepten, zoals lithium-zwavel, lithium-lucht, lithium-silicium of bijvoorbeeld vastestof-natriumbatterijen. Maar het duurt doorgaans vijftien tot twintig jaar om een nieuw concept van het laboratorium naar de markt te brengen, zegt Notten. Áls het idee de eindstreep al haalt. De eisenlijst is lang en streng: snelle laadtijd, hoge slijtvastheid, brandveiligheid (na een aantal incidenten met exploderende laptop- en autobatterijen). Maar vooral hoge energiedichtheid per kilogram en per liter tellen zwaar. Buigbaarheid en doorboorbaarheid iets minder.

Een doorsnee batterij bestaat uit twee elektrodes (zie illustratie), met daartussen een vloeibare tussenlaag. Als de batterij gebruikt wordt, stromen elektrisch geladen atomen of moleculen (‘ionen’) van de ene elektrode naar de andere.

Daarbij doorkruisen ze de tussenlaag, het ‘elektrolyt’, die ionen doorlaat. Maar het elektrolyt is ook zo ontworpen dat de elektronen, de negatieve ladingen die horen bij de positieve ionen, er juist niet doorheen kunnen.

Als groupies die buiten de toerbus om hun favoriete hardrockband achterna reizen, moeten ze dus buitenom, en zo stromen elektronen door het circuit dat op de batterij is aangesloten. Zo kun je een lamp laten branden, een smartphone laten bellen, of een elektrische auto laten rijden.

De kunst van het ontwerpen van een batterij is het vinden van een combinatie van elektroden, ionen en elektrolyt die de reis voor de ionen elektrochemisch zo aantrekkelijk mogelijk maakt.

Daarnaast moet de reactie omkeerbaar zijn: bij het opladen dwingt een elektrische spanning de elektronen de andere richting op, waardoor ook ionen binnen in de batterij de omgekeerde route volgen en de elektrochemische reactie omkeren. De band reist nu de fans achterna.

Nikkel-metaal-hydridebatterijen werken met waterstof als ion, lithium-ion-batterijen met lithium-ionen. Maar eerdere pogingen om het goedkope basismateriaal aluminium als ion te gebruiken waren mislukt: aluminiumbatterijen gaven een lage, niet-constante elektrische spanning, en sleten bovendien erg snel: na een paar honderd ontlaad-laad-cycli was de capaciteit gekelderd. De nieuwe batterij, claimen Dai en collega’s, levert juist een constante spanning van 2 volt. En hij blijft 7.500 laadcycli lang goed: langer dan de doorsnee oplaadbare batterij.

Dat is onder andere te danken aan de ‘kathode’ (de pluspool) van de batterij: die bestaat uit een speciale vorm van grafiet, een vorm van gestapelde schilfers van koolstofatomen in een zeshoekig kippengaaspatroon. Tussen die laagjes passen, als de boeken in een boekenkast, de aluminiumchloride-ionen.

Grafiet is eerder als elektrodemateriaal gebruikt, maar een nadeel is dat het meestal uitzet als het gevuld wordt met ionen. Door herhaald zwellen en krimpen slijt de elektrode snel, een probleem dat ook optreedt bij andere verder veelbelovende elektrodematerialen, zoals silicium. Dai en collega’s wisten die vormveranderingen tegen te gaan door een vormvaste variant van grafiet te gebruiken, gemaakt door grafiet aan te brengen op een schuimachtige metaalstructuur.

Die structuur, met veel holten en dus een groot intern oppervlak, is ook de verklaring van de extreem snelle oplaadtijd, zegt Notten. De ionen kunnen gemakkelijk vanuit het elektrolyt het grafiet in bewegen.

Maar Notten maakt zich vooral zorgen over de energiedichtheid van de nieuwe batterij, de hoeveelheid opgeslagen elektrische energie per liter of per kilogram. „Ze claimen 40 wattuur per kilogram, dat is in de orde van oude loodaccu’s, en ruim twee keer zo laag als lithium-ionbatterijen.” Niet bijzonder hoog dus.

De ionenstromen in de aluminiumbatterij zijn complexer dan in een gewone batterij. De ‘anode’ (de min-elektrode) is gemaakt van aluminiummetaal. Tijdens het ontladen vertrekken er daar vandaan aluminium-ionen, die onderweg reageren met de aluminiumchloride-ionen uit de grafietelektrode. Daarbij reageert er ook nog eens chloride uit het elektrolyt.

„Dat betekent dat het elektrolyt eigenlijk een actieve component is van de batterij, niet een passieve doorgangslaag”, zegt Notten. „Dus als de batterij groter wordt, moet je de elektrolytlaag mee laten schalen. Dat is nadelig voor de energiedichtheid. Voor een auto zou je misschien een hele imperiaal nodig hebben.”

De energiedichtheid speelt overigens een kleinere rol bij een nieuw opkomende toepassing van batterijen: energieopslag in woonhuizen met zonnepanelen of gekoppeld aan het elektriciteitsnet. Zo kun je de zonnestroom van je zonnepanelen opslaan om later te gebruiken, los van het elektriciteitsnet.

Op grote schaal toegepast kan batterijopslag in elektriciteitsnetten fluctuaties in wind- en zonne-energie opvangen. Het volume en het gewicht zijn daarbij veel minder kritiek. Notten: „Je kunt zulke batterijen gewoon in een kelder of in een gebouw neer zetten.” De eerste thuisopslag-systemen verschijnen nu op de markt.

Of de buigzame, snel ladende, doorboorbare aluminiumbatterij de opmaat tot een nieuwe, toegepaste batterijenklasse zal blijken te zijn, of alleen een origineel, maar uiteindelijk onpraktisch idee, valt pas over jaren met zekerheid te zeggen.

Zekerder lijkt dát de batterij verder oprukt in ons leven: in de toekomst piekeren we niet alleen over onze smartphone en de auto, maar ook nog over de huisaccu.