Wedloop om de nieuwe batterij
De echte doorbraak van de elektrische auto? De energietransitie? Dat gaat alleen lukken als er een betere batterij komt. Over de hele wereld werken technologen aan lichtere, goedkopere en krachtigere accu's.
Stik, batterij leeg. Jammer van dat belangrijke telefoontje of dat ene mailtje, maar zonder oplader en stopcontact heb je helemaal niets meer aan je smartphone of laptop. Het is een gevoel dat iedere smartphonebezitter kent, om over de bestuurders van elektrische auto's maar te zwijgen. Voor die laatste categorie bestaat in het Engels zelfs een aparte uitdrukking: 'range anxiety', de angst om onderweg stil te komen staan met een lege batterij.
En dat is niet het enige nadeel van de huidige generatie batterijen. Ze zijn relatief duur en zwaar, wat niet alleen voor elektronica een nadeel is maar vooral ook voor elektrische auto’s. Een Tesla Model S weegt bijvoorbeeld ruim 2000 kilo, grofweg 500 kilo komt voor rekening van de batterij. De kostprijs van die accu in de Tesla wordt door analisten geschat op $10.000, afhankelijk van de capaciteit. En dan zijn die batterijen voor elektrische auto's inmiddels al veel goedkoper geworden.
Zelfontbrandend of ontploffend
Schaarse grondstoffen vormen een ander probleem. De afgelopen 25 jaar domineerden lithium-ion batterijen de markt. Die zijn relatief snel op te laden en kunnen veel energie bevatten. Maar deze batterijen worden onder andere gemaakt van lithium en kobalt, twee metalen waarvan de prijs de afgelopen jaren spectaculair omhoog schoot door de opkomst van de elektrische auto.
En dan is er ook nog de veiligheid van de batterij. 'De huidige generatie batterijen kan in brand vliegen als ze beschadigd raken', zegt Erik Kelder, universitair hoofddocent aan de TU Delft. 'Daar hebben we al een paar voorbeelden van gezien, zoals de Galaxy Note 7, de smartphone van Samsung.’
Batterijen zijn gemaakt om zoveel mogelijk energie op te slaan, en bij mobiele apparaten bij voorkeur op zo klein mogelijke afmetingen. Als er iets mis gaat kan al die energie in één keer vrij komen, vandaar de beelden van de op spectaculaire manier in brand vliegende en zelfs ontploffende batterijen.
Zelf ontbrandende lithium-ion batterijen gelden zelfs als verdachte bij een aantal ongelukken met vrachtvliegtuigen, al is nooit helemaal vast komen te staan dat die de hoofdoorzaak waren van een brand aan boord waardoor een toestel is neergestort.
Martelkamer in Delft
Er wordt daarom volop gezocht naar alternatieven voor de huidige generatie batterijen, die de genoemde nadelen weg moeten nemen. Want zonder betere batterij geen elektrische auto en geen energietransitie. In Nederland gebeurt dat onderzoek bijvoorbeeld in Delft, in het vorig jaar geopende laboratorium in het gebouw van de nucleaire reactor van de technische universiteit.
Daar sleutelen wetenschappers, gekleed in witte jassen, aan nieuwe batterijen, gemaakt van andere materialen. Voor de leek ziet dat gesleutel er nog het meeste uit als knutselen met velletjes papier: batterijen zijn doorgaans opgebouwd uit verschillende ‘vellen’ materiaal.
‘Dit is de martelkamer,’ zegt batterij-expert Kelder met een glimlach als hij zijn bezoek rondleidt door het lab. We zien een grote kast waar de nieuwe batterijen op kunnen worden aangesloten. ‘Hier martelen we de batterijen die we ontwikkelen, door ze veel te veel stroom te geven bijvoorbeeld. Zo kunnen we zien hoe de techniek het houdt onder extreme omstandigheden.’
Magnesium in plaats van lithium
Het basisprincipe van een batterij, die chemische energie omzet in elektriciteit, is in veel gevallen hetzelfde. Een batterij bestaat uit een pluspool (de kathode) en de minpool (de anode). Deze twee polen, of eigenlijk elektroden, worden gescheiden door een elektrolyt, een tussenlaag die er voor zorgt dat er niet vanzelf stroom loopt van de minpool naar de pluspool. Dat gebeurt pas als er iets op de batterij wordt aangesloten wat energie nodig heeft.
Bij oplaadbare batterijen is het mogelijk dit proces om te keren. Als zo'n batterij op een energiebron wordt aangesloten, laadt die zich op. Tot nu toe is de lithium-ion batterij de populairste vorm van de oplaadbare batterij, maar die loopt dus tegen zijn grenzen aan. De pluspool is vaak gemaakt van lithium en kobalt, de minpool van grafiet, hetzelfde materiaal wat in potloden wordt gebruikt.
Pacemakers
De batterij waar Kelder en zijn team hun zinnen op hebben gezet werkt niet met lithium en kobalt, maar met magnesium. 'Magnesium is een metaal dat ruim voorhanden is. Dat maakt de batterij goedkoper. We denken bovendien dat we een batterij kunnen maken die anderhalf keer meer energie kan opslaan bij dezelfde afmetingen. Hij is bovendien veilig, omdat we de elektrolyt op waterbasis willen maken. De batterij kan dan dus niet ontploffen of in brand vliegen’.
Het grootste technische probleem van de magnesiumbatterij is tot nu toe dat die wel veel energie kan opslaan, maar die maar mondjesmaat vrijlaat. ‘De batterij die we nu hebben zou geschikt kunnen zijn voor pacemakers, omdat die maar weinig energie nodig hebben. Maar we mikken op een volwaardige vervanger van de lithium-ion batterij’, zegt Kelder.
Batterij van zeezout
Honderdveertig kilometer naar het oosten, in het Gelderse dorp Wezep, gooien ze het over een heel andere boeg. Het bedrijf Dr. Ten, opgericht door oud-schaatser en chemicus Marnix ten Kortenaar, werkt aan een batterij die werkt met een elektrolyt van water met zeezout en polen van koolstof. Die batterij is veel zwaarder en groter dan lithium-ion batterijen, maar ook veel goedkoper en beter voor het milieu, omdat de batterij makkelijk te recyclen is.
‘In de toekomst wordt zeer veel energie lokaal opgewekt, denk maar aan zonnepanelen op het dak van huizen of windmolens', zegt Gerrit Miedema, die bij Dr. Ten is aangesteld om de batterij naar de markt te brengen. ‘Die energie wordt opgewekt als de zon schijnt of als het waait, maar dat is niet altijd het moment waarop je die elektriciteit nodig hebt. Dan is een goede, en goedkope batterij in huis onontbeerlijk om de pieken op te vangen’.