Volg Bouwkroniek

Abonneer u
Aanmelden

Volg Bouwkroniek Bouwkroniek

Belgische doorbraak voor mobiliteit op batterijen

Gerelateerde onderwerpen :

, ,
Belgische doorbraak voor mobiliteit op batterijen

© Destina - stock.adobe.com

Het Leuvense imec kondigde zopas een doorbraak aan in het onderzoek naar betere batterijen. Het slaagde erin om een nieuwe elektrolyt te maken dat vast is in plaats van vloeibaar en dat toch een bijzonder goede geleidbaarheid heeft.

Volgens onderzoeksleider Dr. Philippe Vereecken kan het zelfs nog tienmaal beter. Dat zou een heel nieuwe generatie van batterijen mogelijk maken voor toepassingen gaande van laptops tot elektrische auto’s en zelfs huisbatterijen voor opslag van bv. zonne-energie.

Om tot optimale oplossingen te komen voor elk van die toepassingen – meer energie per gewicht, betere laadsnelheden, een langere levensduur, een hogere veiligheid – werken imecs onderzoekers aan het verbeteren van de elektrolyt en aan methodes om vaste elektrolyten te combineren met elektrodes bestaande uit nanopartikels met functionele coatings.

De herlaadbare li-ionbatterijen die we nu bij voorkeur gebruiken voor de opslag van elektriciteit zijn voor het eerst op de markt gekomen in 1991. Ze kunnen genoeg energie opslaan in een klein volume om allerlei draagbare toepassingen mogelijk te maken. Maar vandaag worden ze ook steeds meer gebruikt om grotere systemen aan te drijven, zoals auto’s, bouwmachines of thuisbatterijen om duurzame energie op te slaan en het energienetwerk te helpen balanceren. Deze toepassingen hebben echter batterijen nodig waarvoor de li-iontechnologie niet altijd de meest geschikte is.

Voor elektrische voertuigen bijvoorbeeld is het de belangrijkste overweging om batterijen te hebben die zo weinig mogelijk wegen. Dat vraagt een hogere energiedichtheid dan wat vandaag mogelijk is. In tegenstelling tot wat nodig is voor de meeste draagbare elektronica wordt de maximum elektriciteitsstroom die een batterij kan leveren ook belangrijker. De snelheid waarmee een auto kan vertrekken, maar ook de tijd die nodig is om het voertuig op te laden, hangt immers af van hoe snel energie in en uit de batterij kan stromen. En als we denken aan toepassingen als netbeheer en –opslag, dan wordt de kost en daarmee samenhangend een hoge levensduur cruciaal.

Li-iontechnologie heeft nog wat ruimte om te verbeteren, maar niet genoeg voor wat nodig is voor alle nieuwe toepassingen. We hebben dus nood aan batterij-innovatie: nieuwe anode- en kathode-architecturen met een hogere energiedichtheid en nieuwe elektrolyten met de nodige geleidbaarheid en veiligheid.

Elektrolyten vormen het medium waardoor de ionen stromen tussen de twee batterij-elektrodes, de anode en de kathode. In li-ionbatterijen is dat elektrolyt vloeibaar. Het vult niet alleen het poreuze membraam dat tussen de elektrodes is geplaatst, maar verzadigt ook die elektrodes zelf die bestaan uit poeders van kleine partikels. De elektrolyt vult alle gaten en maakt op die manier een zo groot mogelijk contactoppervlak tussen elektrolyt en elektrode. De belangrijkste eigenschap van die elektrolyt is haar geleidbaarheid: de snelheid waarmee ionen van kant kunnen veranderen (uitgedrukt in milliSiemens per cm of mS/cm). Hoe hoger die geleidbaarheid, hoe sneller een batterij kan opladen, maar ook hoe meer elektriciteit ze in korte tijd kan vrijgeven.

De vloeibare elektrolyt vervangen door een vaste stof zou het mogelijk maken om het membraan te verwijderen en de elektrodes veel dichter bijeen te plaatsen, waardoor de batterij compacter zou worden en dus ook een hogere energiedichtheid zou hebben. Maar tot nu toe hadden de gebruikte vaste elektrolyten niet voldoende geleidbaarheid. LiPON (lithium/fosfaat-zout gedopeerd met stikstof) heeft bv. een geleidbaarheid van amper 10-7-10-6 S/cm. Met een dergelijke geleidbaarheid kan een elektrolyt niet dikker worden dan een micrometer. De enige praktische toepassingen zijn vlakke dunnefilmbatterijen waarin de ionen maar een heel korte afstand moeten overbruggen. Zo’n batterijen zijn geschikt voor micro-opslag, bijvoorbeeld in combinatie met energie-oogsten uit warmte of beweging. Maar voor andere toepassingen is de capaciteit veel te klein.

Vaste elektrolyten

In hun zoektocht naar nieuwe elektrolyten voor batterijen met een grote capaciteit zijn de imec-wetenschappers uitgekomen bij nanocomposietmaterialen. In november vorig jaar werd een eerste resultaat aangekondigd: een vorm van composietmaterialen die de geleidbaarheid van vloeibare elektrolyten versterkt.

Een bijzondere eigenschap van de nieuwe composiet-elektrolyt (sce) is dat het wordt aangebracht als een vloeistof en pas achteraf in een vaste stof wordt omgezet. Zo is het perfect geschikt om gebruikt te worden met poeders waarin de partikels dicht opeengepakt zitten en waarin het alle openingen kan vullen, net als een vloeistof dat zou doen. Bovendien blijft het nieuwe materiaal elastisch, ook in vaste vorm, wat belangrijk is omdat de elektrodes opzwellen tijdens het laden. En als laatste voordeel: doordat het als vloeistof wordt aangebracht, is die nieuwe elektrolyt compatibel met de manier waarop batterijen ook vandaag gemaakt worden. Daardoor is het voor de batterijfabrikanten veel gemakkelijker om die elektrolyt te gaan gebruiken dan om een andere elektrolyt in te voeren waarvoor ze hun productieprocessen moeten omgooien.Imecs nieuwe vaste elektrolyt is een nanoporeuze oxidematrix waaraan specifieke stoffen zijn toegevoegd. Het unieke is dat de geleidbaarheid hoger is dan die van lithiumzouten zonder de oxidematrix. Dat versterkende effect wordt toegeschreven aan een verhoogde mobiliteit van de ionen aan het oppervlakte van het oxidemateriaal. En omdat dat materiaal een oppervlakte heeft van 500 m²/mL – een olympisch zwembad in een vingerhoed – komt de geleidbaarheid uit boven die van 10 mS/cm van gewone vloeibare elektrolyten.

Met het nieuwe elektrolyt hebben imecs ingenieurs al een prototype-batterij gemaakt, op basis van bestaande elektrodes: LFP (LiFePO4) voor de kathode en LTO voor de anode. Die batterij had reeds een laadsnelheid vergelijkbaar met klassieke batterijen: 80% van de capaciteit werd bereikt na een uur (1 C). En het kan nog veel beter: berekeningen tonen dat het nieuwe materiaal in theorie een tienmaal hogere geleidbaarheid kan bereiken, tot 100 mS/cm. Dat is dan ook het voorlopige doel dat imec zich heeft gesteld in zijn onderzoeksprogramma.

Hogere energiedensiteit

Om batterijen te maken voor elektrische voertuigen met bv. een langere actieradius dan vandaag zal meer nodig zijn dan nieuwe elektrolyten. We zullen ook elektrodes moeten maken die meer actief materiaal bevatten en een groter contactoppervlak hebben. De oplossing lijkt gemakkelijk: gebruik nog kleinere partikels die nog dichter opeengepakt kunnen worden.

Maar hier zijn de problemen dezelfde als voor het verbeteren van de huidige li-ionbatterijen: een groter contactoppervlak zorgt tegelijk voor meer schadelijke oppervlaktereacties die de levensduur van de batterij naar omlaag halen. Daarom werken specialisten van imec aan een oplossing die de partikels voorziet van een ultradunne stabiele isolatielaag. Dat kan door gebruik te maken van ald (atomaire-laag depositie), één van de expertises van imec. Die laag moet natuurlijk scheikundig neutraal zijn en heel geleidbaar om het positieve effect van het grotere oppervlak niet opnieuw teniet te doen.

Als we een dergelijk dun laagje kunnen aanbrengen op nanopartikels wordt het mogelijk om die in batterijen te gebruiken. En de vaste elektrolyt maakt het mogelijk om dikkere elektrodes te gaan gebruiken. Samen geeft dat batterijen met een veel hogere energiedichtheid, hoger dan het huidige maximum van 800 Wh/l, en een snelheid boven 2C (de batterij opladen in minder dan 30 minuten).

Om dan nog sterkere batterijen te maken, met een dichtheid van meer dan 1,000 Wh/L, werkt imec bovendien aan anodes van puur lithium, het materiaal met de hoogst mogelijke energiedichtheid, en dus de heilige graal voor herlaadbare batterijen. Maar tot nu toe kon het enkel gebruikt worden in primaire of niet-herlaadbare batterijen. Voor herlaadbare batterijen is het probleem dat het herladen ervoor zorgt dat er lithiumnaalden groeien tussen de elektrodes. Dat kan op een bepaald moment voor een kortsluiting zorgen, wat de levensduur van de batterijen naar beneden kan halen. Imec gelooft dat het ook dit probleem kan oplossen door een combinatie van de vaste elektrolyt en dunne bufferlagen.

Krachten bundelen

De voorbije tien jaar bestond het onderzoek naar betere batterijen er vooral in om de elektrodematerialen en de bestaande li-iontechnologie te verbeteren. Meer disruptieve veranderingen, zoals het invoeren van een vaste elektrolyt, zal een volgehouden en gezamenlijke inspanning vragen van alle spelers in de batterijproductie.

imec kan zijn expertise in nanomateriaal daarbij als hefboom gebruiken, een expertise die opgebouwd werd tijdens tientallen jaren onderzoek naar betere chiptechnologie. Een voorbeeld is de knowhow in mesoporeuze materialen voor low-k dielectrica in chips. Die expertise heeft nu bijgedragen tot de ontwikkeling van de nieuwe vaste elektrolyt. Zo gebruiken ze de ervaring met het deponeren van atomaire laagjes om een innovatieve coating te bedenken voor de nanopartikels in de batterij-elektrodes. Wanneer dit onderzoek nu kan worden gecombineerd met de inspanningen van leveranciers van materialen en batterijen, dan ligt de weg open naar betere, veiliger batterijen voor een elektrische toekomst.

Imecs ontwikkeling van volgende generaties van batterijen is ingebed in een open innovatieprogramma, waarbij Panasonic één van de partners is. De onderzoek gebeurt in het kader van EnergyVille, een onderzoeksinitiatief dat de expertise van imec, de KU Leuven, de VITO en de universiteit van Hasselt samenbrengt om zo duurzame en intelligente energiesystemen te ontwikkelen. Een volgende stap is om de huidige ontwikkelingen op te schalen in het nieuwe batterijlab op de EnergyVillecampus.

 

OVERHEIDSOPDRACHTEN
Alle overheidsopdrachten

Meest aanbevolen artikels

Antwerpen maakt knoppen aan verkeerslichten elleboogrviendelijk

Antwerpen maakt knoppen aan verkeerslichten elleboogrviendelijk

De stad Antwerpen zal een bijkomende knop installeren bovenop de drukknoppen aan verkeerslichten aan kruispunten op stadswegen. Hierdoor zullen de drukknoppen verder uitsteken en kunnen fietsers en voetgangers deze gemakkelijk bedienen met de[…]

Vlaams-Brabant vernieuwt fietsnetwerk Groene Gordel

Vlaams-Brabant vernieuwt fietsnetwerk Groene Gordel

Antwerpen test flexibele snelheidsdrempels

Antwerpen test flexibele snelheidsdrempels

Eerste Hoppinpunt in Vlaanderen geopend

Eerste Hoppinpunt in Vlaanderen geopend

Meer artikels