Freemoneyforever zegt:
31 januari 2021 12:58
Autobatterijen die na een laadtijd van één kopje koffie weer een heel eind voort kunnen, zijn niet ver weg. Vorige week schreef The Guardian dat de Israëlische fabrikant Storedot voor het eerst duizend lithium-ionbatterijen geproduceerd heeft die na vijf minuten laden weer een actieradius van 100 mijl (160 kilometer) hebben. In diezelfde week stond in Nature Energy dat wetenschappers van de Amerikaanse Penn University in hun lab een lithium-ijzer-fosfaatbatterij maakten die na tien minuten laden volledig geladen is en weer 250 mijl (400 kilometer) kan rijden.
Sneller laden is niet zomaar een kwestie van krachtiger opladers – de sleutel ligt bij de chemie in de batterij. In elektrische auto’s zitten lithium-ionbatterijen. Bij het ontladen lopen lithium-ionen van de ene kant van de batterij, de anode, via een stroperige vloeistof naar de andere andere kant van de batterij, de kathode. Elektronen willen ook van de anode naar de kathode maar die kunnen niet door de stroperige vloeistof, de elektrolyt, heen en gaan buitenom via de elektromotor van de auto. Bij het opladen worden de elektronen de andere kant op geforceerd, en gaan ook de lithium-ionen weer terug naar de anode.
Onomkeerbare processen
Wil je de batterij sneller opladen dan is er een hogere stroom nodig, de lithium-ionen worden dan sneller door de batterij geduwd. Maar dit gaat al gauw te hard. Het risico is dat de elektrolyt beschadigt en bij de anode zich lithiummetaal ophoopt. Dit zijn onomkeerbare processen, de levensduur van de batterij neemt er door af, ook kan kortsluiting ontstaan. Wetenschappers en fabrikanten zoeken naar chemische samenstellingen waarmee een hogere laadstroom toch mogelijk wordt.
„Laadsnelheid wordt bepaald door hoe snel lithium-ionen door het materiaal heen kunnen bewegen”, zegt Mark Huijben, hoogleraar nanomaterialen aan de Universiteit Twente. De poedermix waaruit de anode bestaat komt in aanraking met het vloeibare elektrolyt, dat een beetje de poederlaag in dringt. Dat is goed, legt hij uit, want de ionen kunnen sneller door de vloeistof heen dan door de poederdeeltjes. Als die poederdeeltjes heel klein zijn, de nanodeeltjes zijn 0,1 micrometer groot, dan is er een groot oppervlak dat met de snel geleidende vloeistof in aanraking komt. „Het maakt dus uit hoe snel de ionen door het materiaal zelf heen kunnen, maar ook hoe groot het oppervlak is. Als het oppervlak groot is hoeven de ionen bovendien maar een kleine afstand in het materiaal zelf af te leggen.”
De bottleneck voor supersnel laden is niet langer de batterij
Doron Myersdorf Directeur Storedot
Fabrikant Storedot sleutelde aan het materiaal van de anode. Het grafiet is vervangen door nanodeeltjes van het halfgeleidermateriaal germanium. Later dit jaar hopen ze prototypes met het vergelijkbare (maar goedkopere) element silicium te maken. Volgens de fabrikant is deze versie van de lithium-ionbatterij niet duurder dan de bestaande batterijen.
Storedot is de eerste die heeft gedemonstreerd dat het snel laadbare batterijen in grote hoeveelheden kan produceren, maar het is zeker niet de enige fabrikant die met deze techniek bezig is. De bekendste fabrikant die ook mikt op een anode van silicium is Tesla. Er zijn ook bedrijven die werken aan nanodeeltjes in andere samenstellingen, zoals niobium of een combinatie van grafiet en silicium.
Spelen met de temperatuur
Onderzoekers van Penn State University kozen een heel andere benadering: zij variëren de temperatuur van de batterij. Voorafgaand aan het laden warmt de batterij met behulp van een folie van nikkel dat in de batterij zit in dertig seconden tot een minuut op tot 60 graden Celsius. Het idee daarvan is dat bij een hogere temperatuur de weerstand in de batterij lager is en de ionen gemakkelijker door de batterij kunnen bewegen. Daarna koelt de batterij weer af.
Dat laatste is belangrijk, want batterijen zijn gevoelig voor temperatuur. Bij langdurige blootstelling aan hoge temperaturen beschadigt de elektrolyt. Door alleen tijdens het snelladen de temperatuur te verhogen blijft de schade beperkt genoeg om lang mee te kunnen gaan. Het hele proces van opwarmen, laden en koelen is binnen tien minuten afgerond.
Even de accu opwarmen om snel te kunnen opladen
„Voor alle materialen, of ze nou goed of slecht ionen geleiden, geldt dat de geleiding bij een hogere temperatuur beter is. Dat is basischemie”, zegt Huijben. „Dat het keer op keer goed werkt, bij vloeibaar elektrolyt dat de eigenschap heeft dat het bij hoge temperaturen kapot gaat, maakt dat dit interessant is.”
Dat deze techniek werkt toonden de onderzoekers ook al eerder aan, in 2019 pasten ze het toe op ‘gewone’ lithium-ionbatterijen. In de studie die vorige week verscheen ging het om lithium-ijzer-fosfaatbatterijen, ook een lithium-ionbatterij maar dan met goedkopere ingrediënten in de kathode en zonder kobalt, dat onder discutabele omstandigheden gewonnen wordt. Deze materialen zijn veiliger dan die in de gangbare lithium ionbatterijen, maar de energiedichtheid is lager, waardoor de nood aan snel opladen hoger is als deze batterij in auto’s gebruikt zal worden. De lagere energiedichtheid hebben de onderzoekers ook proberen te ondervangen, door het batterijpakket in de elektrische auto anders in te richten.
„We kunnen thermische modulatie op alle materialen en chemie toepassen”, mailt Chao-Yang Wang van Penn State, die het onderzoek leidde. „We wilden laten zien dat het ook bij heel goedkope batterijen werkt. Ons uiteindelijke doel is zo goedkoop mogelijke autobatterijen maken, zodat elektrische auto’s binnen afzienbare tijd echt betaalbaar worden.” Hij merkt nog even fijntjes op dat ze bewust toegewerkt hebben naar vrijwel volledig laden in tien minuten, maar dat vijf minuten laden om honderd mijl voort te kunnen, zoals fabrikant Storedot belooft, ook met hun batterij mogelijk is. „Maar we denken dat mensen liever tien minuten laden en dan weer een volle batterij hebben.”
Polymeren en keramieken
Huijben werkt zelf binnen het Twente Centre for Advanced Battery Technology onder meer aan vastestofbatterijen. In zulke batterijen is de vloeibare elektrolyt vervangen door een vaste stof, bijvoorbeeld polymeren of keramieken. De eerste vastestofbatterijen die een betere ionengeleiding hebben dan vloeibaar elektrolyt zijn al te koop, al zitten ze nog niet in elektrische auto’s. „Maar dat gaat er zeker komen, daar ben ik van overtuigd”, zegt Huijben. Hij begint erover omdat het verwarmen van de batterij voor het laden ook op vastestofbatterijen goed toegepast kan worden. „Het probleem met die warmte nu is dat de elektrolyt snel gaat reageren, en dat heb je met vastestofbatterijen niet. Met elke generatie batterijen zullen de laadtijden korter worden.”
Storedot denkt dat in 2025 auto’s rond zullen rijden met hun batterijen. Chao-Yang Wang denkt dat er in 2023 al sneller laadbare batterijen in auto’s zullen zitten.
Er doemen dan wel andere praktische beperkingen op. „De bottleneck voor supersnelladen is niet langer de batterij”, zei directeur Doron Myersdorf van Storedot in The Guardian. „Nu moeten de oplaadstations en het elektriciteitsnet verbeterd worden.” Een van de investeerders in Storedot is BP. „BP heeft ruim 18.000 tankstations, zij begrijpen dat die overbodig worden tenzij ze oplaadstations worden.”