Waarom je mobieltje na een dag leeg is

Accu Elk jaar verschijnen er betere telefoons en computers, maar die accu blijft zo snel leeglopen. De zoektocht naar de batterij die wat langer meegaat.

Het kan nog wel tien jaar duren voordat de ‘droombatterij’ op de markt is. In theorie is die superbatterij zeven tot tien keer beter dan de huidige lithium-ion batterijen.
Het kan nog wel tien jaar duren voordat de ‘droombatterij’ op de markt is. In theorie is die superbatterij zeven tot tien keer beter dan de huidige lithium-ion batterijen. Foto Mario Guti

We worden steeds afhankelijker van onze elektronische apparaten. De route naar een afspraak? Dat bekijk ik onderweg wel met Google Maps op mijn smartphone. Door die elektronica-afhankelijkheid leunen we ook zwaar op batterijen. Met een lege batterij is de kans dat ik nog op tijd op mijn afspraak kom nihil.

Door de opkomst van elektrische auto’s wordt ook transport steeds afhankelijker van goede accu’s. Met al die ontwikkelingen verwacht je dat de batterijtechnologie razendsnel meegroeit. Als er ergens vraag naar is, dan levert de hightech-sector meestal. Elk jaar verschijnen er betere en snellere computers. Waarom blijft de innovatie van batterijen achter? Waarom is mijn mobieltje na een dag leeg?

Een gebrek aan motivatie is het niet. Wereldwijd werken duizenden onderzoeksgroepen aan betere batterijen. Ook bedrijven zitten er bovenop, onder andere omdat de toekomst van elektrisch rijden ervan afhangt. Toch is de batterij die nu in je telefoon zit conceptueel hetzelfde als die van begin jaren negentig. „Vanuit dat oogpunt is het deprimerend hoe weinig vooruitgang er is als je ziet hoeveel geld erin geïnvesteerd wordt”, zegt Marnix Wagemaker, hoogleraar elektrochemische energieopslag aan de TU Delft. „Dat laat zien hoe complex het verbeteren van batterijen is.”

De trage vooruitgang komt gedeeltelijk doordat batterijen aan flink wat eisen moeten voldoen: lange levensduur, klein, licht en veelvuldig oplaadbaar. Het is technisch lastig om aan al die eisen te voldoen. „Als iemand een doorbraak claimt dan blijkt meestal één eigenschap verbeterd, bijvoorbeeld levensduur, terwijl een andere eigenschap verslechterd is”, zegt Wagemaker. Daarnaast is veiligheid belangrijk. Een nieuwe batterijtechniek kan een sprong vooruit zijn, maar als er iets misgaat, dan kan de producent het vergeten. Niemand wil een batterij van het type dat een keer in de fik gevlogen is. Daarom gooit een fabriek niet zomaar een productieproces om. Zo blijven oudere, bewezen technieken die wel op grote schaal geproduceerd worden goedkoper.

De laatste grote sprong in de batterijtechniek zijn de oplaadbare lithium-ion batterijen die Sony begin jaren negentig op de markt bracht. Inmiddels zit die in bijna alle elektronica, zoals mobiele telefoons en laptops. Ook accu’s van elektrische auto’s hebben dezelfde techniek. Deze batterijen zijn licht en efficiënt. Perfect voor draagbare en mobiele apparaten. Ze worden ook gebruikt voor grootschalige opslag van zonne- en windenergie, of in huis (denk bijvoorbeeld aan de Powerwall van Tesla). Voor die batterijen die niet in je broekzak hoeven te passen is het niet nodig dat ze licht zijn. Daarom kunnen daarvoor in de toekomst mogelijk andere, zwaardere, maar goedkopere batterijen gebruikt worden.

Hoe een lithium-ion batterij werkt

Wat is een lithium-ion batterij precies? Batterijen zetten chemische energie om in elektrische energie. Die chemische energie zit opgeslagen in de ladingsdragers. In een lithium-ion batterij is lithium de ladingsdrager.

In batterijen zit een negatief geladen elektrode (anode) en een positief geladen elektrode (kathode). In de meeste lithium-ion batterijen zit bij de anode het materiaal grafiet en bij de kathode zit kobaltoxide. In beide materialen kunnen lithiumatomen geschoven worden; als boeken in een boekenkast.

In een niet-opgeladen batterij zitten lithiumatomen fijn en stabiel opgeslagen in het kobaltoxide bij de kathode. Lithium zit liever niet in het grafiet bij de anode. „Als het lithium in het grafiet zit, wil het heel graag naar het kobaltoxide”, vertelt Wagemaker. Dat is een sterke chemische drijfkracht: de chemische energie. Hoe meer lithium in het grafiet zit, hoe meer chemische energie er in de batterij zit.

Maar tussen de anode en de kathode zit een elektrolyt. Dat is een vloeibaar materiaal waar het lithium alleen als positief geladen ion doorheen kan bewegen. Negatief geladen elektronen kunnen er niet doorheen. Om naar de andere kant van de batterij te komen, moeten de lithiumatomen een negatief geladen elektron achterlaten. Dat betekent dat positieve lithiumdeeltjes (genaamd lithium-ionen) naar een positieve kathode moeten. Maar positieve ladingen stoten elkaar af. Daardoor gebeurt er niets in een niet-aangesloten batterij.

Zodra je de batterij aansluit kunnen de elektronen buitenom (door het aangesloten apparaat) naar de kathode. Dit is de elektriciteit voor je apparaat. De kathode wordt hierdoor minder positief waardoor de lithium-ionen de oversteek door het elektrolyt wel kunnen maken.

Bij het opladen gebeurt het omgekeerde; dan pomp je de elektronen en lithium-ionen terug naar de anode.

Hoe lang een batterij je mobieltje van stroom kan voorzien, is afhankelijk van de energiedichtheid. Dat is de hoeveelheid energie die je in een gram batterijmateriaal kan opslaan. Dat wordt bepaald door de hoeveelheid lithium en het gewicht van de batterijmaterialen. „Het spel is om zoveel mogelijk lithium-ionen in zo licht mogelijke materiaal op te slaan”, vertelt Wagemaker.

Verbetering kan op drie manieren

Vóór lithium werden er andere ladingsdragers gebruikt. Die konden minder positieve lading heen en weer bewegen door de batterij. Daardoor hielden de batterijen het minder lang vol. De ontdekking van lithium als ladingsdrager was een grote sprong vooruit. Zo’n grote verandering verwacht Wagemaker niet meer. Er lijken geen efficiëntere ladingsdragers te bestaan dan lithium. De verbeteringen zullen geleidelijk komen door de ontwikkeling en optimalisatie van nieuwe materialen in lithium-ion batterijen. Dat kan op drie manieren: door de anode-, de kathode- of het elektrolytmateriaal te verbeteren. Hiervoor zijn tientallen kandidaatmaterialen.

Het materiaal bij de kathode is nu vaak kobaltoxide. Producenten willen van kobalt af omdat het zwaar, schaars en duur is. De veel meer voorkomende materialen nikkel en mangaan kunnen de rol van kobalt overnemen. Bovendien kan er meer lithium per gram in worden opgeslagen waardoor de energiedichtheid hoger is. De ideale kathode is lithiumlucht. Daarbij wordt lithium opgeslagen in zuurstof uit de lucht. Dat kan efficiënt en lucht is superlicht. Maar helaas blijken deze nieuwe materialen niet stabiel genoeg voor alledaags gebruik. Ze gaan snel kapot.

Voor anode-materialen wordt nu grafiet gebruikt. Een van de meest veelbelovende nieuwe kandidaten is silicium. Een siliciumboekenkast kan twintig keer meer lithium opnemen dan grafiet. Daardoor kan je met minder anode-materiaal meer lithium opnemen en dus de energiedichtheid van je batterij verhogen. Maar silicium zet uit als je er lithium in opslaat. Daardoor gaat een batterij met silicium kapot bij het opladen. De oplossing is om er minder lithium in op te slaan. Daardoor is de energiedichtheid van siliciumbatterijen wel iets beter dan die met grafiet, maar niet twintig keer beter.

De ideale anode is lithiummetaal. Die kan maximaal lithium opnemen waardoor de energiedichtheid minimaal anderhalf keer verhoogd wordt. Maar batterijen van lithiummetaal zijn jaren niet gebruikt. Eind jaren tachtig bracht een Canadees bedrijfje genaamd Moli Energy batterijen met lithiummetaal op de markt. De batterijen werden teruggeroepen toen bleek dat ze plots in brand konden vliegen. Het ontvlambare imago heeft er lang voor gezorgd dat niemand zijn vingers durfde te branden aan lithiummetalen.

De laatste jaren wordt er weer voorzichtig naar gekeken. „Het risico van lithiummetalen is dat ze dendrieten [uitlopers, red.] kunnen vormen die het vloeibare elektrolyt in groeien”, vertelt Wagemaker. „Daardoor gaat het elektrolyt kapot en kan er kortsluiting en soms zelfs brand ontstaan.” Dit probleem kan misschien verholpen worden als er een geschikte vastestofelektrolyt (solid state) gevonden wordt. Dat moet ervoor zorgen dat de dendrieten niet door de vaste stof heen dringen.

Vastestofelektrolyten zijn bovendien veiliger. Het vloeibare elektrolyt dat nu gebruikt wordt is ontvlambaar en giftig. Eind vorig jaar haalde een geëxplodeerde Samsungbatterij het nieuws. Dat kwam waarschijnlijk doordat een interne kortsluiting het elektrolyt liet ontvlammen. Vastestofelektrolyten ontvlammen bijna niet.

Een zeven tot tien keer betere batterij

De droombatterij is een lithium-ion batterij met een anode van lithiummetaal, eenvaste stofelektrolyt en een kathode van lithiumlucht, vertelt Wagemaker. Die droombatterij is, in theorie, zeven tot tien keer beter dan de huidige lithium-ion batterijen. „Maar dat lijkt nu ook het plafond, dat de chemie ons oplegt”, zegt Wagemaker. „Een batterij met een veel hogere energiedichtheid dan dat kunnen we niet maken.”

Het is een enorme uitdaging om de betere batterijen en uiteindelijk de droombatterij werkend te krijgen. Materialen die de energiedichtheid verhogen, maken de batterij vaak veel minder stabiel en veilig. Daar moet vervolgens weer een oplossing voor gezocht worden. De eerste stappen vooruit, met silicium-anodes en kathodes zonder kobalt, kunnen we komende jaren verwachten. De droombatterij kan nog tien jaar duren. Wagemaker: „Het gaat ons lukken om die droombatterij werkend te krijgen, maar het is een gevecht waar je een lange adem voor nodig hebt.”

Correctie (30 januari 2019): In een eerdere versie van dit artikel stond dat in een opgeladen batterij lithiumatomen zitten opgeslagen in het kobaltoxide bij de kathode, maar dat is juist het geval in een niet-opgeladen batterij. Dat is aangepast.

    • Dorine Schenk