Als er één technologie is waarbij het afgelopen jaar grote stappen zijn gezet, dan is het wel op het gebied van batterijen. Dat is nodig ook, want de wereld schreeuwt om elektrisch en om schoon. En dus is het maar goed dat de doorbraken zich in hoog tempo opvolgen. Een overzicht van wat er afgelopen jaar zoal werd bedacht.

Hete techniek

Een van de grootste problemen die de huidige generatie lithium-ionbatterijen ondervinden, is een te hoog oplopende temperatuur. Die kan tijdens het laden zo ver oplopen dat het elektrolyt (het membraan tussen de anode en de kathode) beschadigd raakt; met nare gevolgen voor de capaciteit van de batterij. Maar als je batterijen van bijvoorbeeld een auto sneller wilt kunnen laden, moet die bestand zijn tegen hogere temperaturen. Bij de Penn State Universiteit hebben ze nu een techniek ontwikkeld waarbij de temperatuur in de batterij weliswaar oploopt tot zo’n 60 graden Celsius, maar weer afkoelt voordat er schade aan het elektrolyt optreedt. De onderzoekers brachten daarvoor een speciale dunne nikkelfolie aan rond de negatieve pool van de batterij. Door de nieuwe techniek kan de batterij 1700 keer geladen, ontladen en weer worden geladen (een volledige laadcyclus). En dat gebeurt zo efficiënt, dat je een accupakket van een auto binnen tien minuten kunt voorzien van voldoende stroom om 320 tot 480 kilometer af te leggen.

De koolstofdioxidevanger

In oktober kwamen onderzoekers van het MIT met een zogenoemde electro-swing-batterij. Die is niet bedoeld om iets mee aan te drijven, maar om koolstofdioxide te onttrekken aan de omringende lucht of, in geval van een industriële toepassing, aan een bepaalde gasstroom. Om dat voor elkaar te krijgen coatte het team de elektroden van de speciale batterij met polyanthraquinone, een materiaal dat is opgebouwd uit koolstofnanobuisjes. Als de batterij ‘laadt’, vindt een elektrochemische reactie plaats waardoor koolstofdioxidemoleculen die er langs drijven worden aangetrokken en zich aan de wanden van de elektrode hechten. Als die vol CO₂ zitten, begint de ontlading, waarbij de moleculen loskomen van de wanden en worden opgevangen. Daarna kan de CO₂ worden opgeslagen of gebruikt voor bepaalde industriële processen.

De CO₂-batterij

Voorlopig levert lithium-ion de meeste capaciteit bij het laagste gewicht. Maar de zoektocht naar nog betere batterijen is uiteraard in volle gang. Eén van de technieken waar hard aan wordt gewerkt, is een batterij op basis van lithium-koolstofdioxide, en die zou tot zeven keer meer stroom kunnen vasthouden dan bestaande Li-ion-batterijen. Het probleem dat steeds in de weg blijft zitten, is dat zich in de batterij koolstof afzet. Dat zorgt op den duur voor capaciteitsproblemen. Wetenschappers van de Universiteit van Illinois hebben stappen gezet om dat probleem op te lossen door onder meer superkleine schilfers molybdeendisulfide (MoS₂) in de kathode te verwerken. Er is dus nu een lithium-koolstofdioxide-batterij die 500 laadcycli heeft doorstaan.

Hittestroom

Met windturbines, zonnecentrales en zelfs getijdensystemen valt bakken energie op te wekken. Maar het probleem is dat al die energie lastig is op te slaan. Dat kan bijvoorbeeld met de nieuwe superbatterijen van Tesla (zie hierna), maar er wordt ook gewerkt aan andere opslagmethodes. Eén ervan komt van het Australische bedrijf Climate Change Technologies (CCT). CCT bedacht een systeem waarbij de overtollige energie wordt gebruikt om silicium te smelten in een speciale, zwaar geïsoleerde kamer; een soort thermische batterij dus, Thermal Energy Device (TED) genaamd. En de hitte die zo wordt geproduceerd en vastgehouden kan, als er op bijvoorbeeld windstille of bewolkte dagen elektriciteit nodig is, worden gebruikt om stroom op te wekken. Eén TED is in staat om 1,2 mWh aan stroom op te slaan.

Lichter

Als je batterijen (accu’s) gebruikt om een auto of een vliegtuig aan te drijven, loop je al snel tegen de gewichtsbeperking op. Als je de actieradius wilt vergroten, heb je steeds meer zware batterijen nodig en dat heeft dan weer gevolgen voor de actieradius. De oplossing is: lichtere batterijen. En dat is waar wetenschappers van het Institute for Frontier Materials van de Australische Deakin Universiteit vorige maand mee naar buiten kwamen. Ze slaagden erin om een elektrolyt van een vaste polymeer (in tegenstelling tot de vloeibare variant in bestaande batterijen) te ontwikkelen. En dat nieuwe elektrolyt maakt het mogelijk om lithium-metaal-anode te maken die een twee keer zo grote capaciteit heeft als bestaande li-ion-batterijen. Bovendien is de kunststof veel beter bestand tegen hoge temperaturen en daardoor wordt het ontploffingsgevaar een stuk kleiner.

De grootste

Zoals we hierboven al meldden (zie: Hittestroom) is het lastig om overtollige stroom van groene energiebronnen op te slaan. Tesla loste dat probleem in 2017 op door in Australië de grootste lithium-ion-batterij ter wereld neer te zetten die de overtollige energie op kon slaan van de Neoen’s Hornsdale windfarm. De mega-batterij is goed voor 100 megawatt (129 mWh) en dat bevalt kennelijk zo goed dat Neoen en de Australische overheid Tesla hebben gevraagd voor een upgrade. Medio volgend jaar moet de batterij bij het windturbinepark twee keer zoveel elektriciteit op kunnen slaan.

Bron: New Atlas

Beeld: Tesla/CCT/Universiteit van Illinois/MIT/Penn State Universiteit