Een verdubbeling van opslagcapaciteit van de lithium-ion batterij

De laatste decennia komen er steeds meer en meer toestellen op de markt waarbij er gebruik wordt gemaakt van een oplaadbare batterij. Het gaat hier niet meer alleen om kleine toestellen maar steeds grotere en grotere toestellen maken gebruik van batterijen als energievoorziening. En waarschijnlijkste één van de allergrootste toepassing voor de batterij is momenteel de elektrische wagen. Bij al deze nieuwe toepassingen is er steeds een batterij gewenst met een zo groot mogelijke opslagcapaciteit. De opslagcapaciteit bepaald op vele vlakken het gebruiksgemak van het toestel naar de gebruiker toe. Bijvoorbeeld het is niet aangenaam wanneer uw gsm elke dag opgeladen moet worden of wanneer uw laptop slechts een kwartier zou kunnen werken zonder dat de voeding aangesloten is. En voor elektrische wagens is de capaciteit van de batterij van nog een veel groter belang. De hoeveelheid energie die de batterij van een elektrische wagen kan opslaan legt vast hoeveel kilometers er kunnen gereden worden met de wagen vooraleer de batterij opnieuw moet opgeladen worden.

Maar niet alleen de opslagcapaciteit is van belang want logischer wijze kan een grotere, zware batterij meer energie gaan opslaan. Maar terug voor het gebruiksgemak is er een beperking voor de grootte en het gewicht van de batterij. Terug het zou enorm aangenaam zijn om met een zeer grote en zware gsm te moeten rondlopen alleen maar doordat anders de batterij niet voldoende lang meegaat. En ook in de elektrische wagen speelt de grootte en het gewicht van de batterij een rol. Namelijk de batterij moet eerst en vooral al in de auto passen. Maar daarnaast is het ook zo dat wanneer met een elektrische auto uitrust met een grote, zware batterij dat er meer energie zal nodig zijn om de auto vooruit te duwen. Het is dus niet zo dat wanneer men een dubbel zo grote batterij in een elektrische wagen steek dat men er dubbel zo ver mee zal kunnen rijden.

En naast de opslagcapaciteit, de grootte en het gewicht zijn er ook nog andere belangrijke factoren die een rol spelen wanneer men gebruik maakt van batterijen. Zo is het belangrijk dat een batterij gedurende zijn totale levensduur, op een veilige manier gebruikt kan worden. Dat er geen giftige stoffen kunnen vrijkomen. Maar ook de levensduur van een batterij is belangrijk. Ook al lijkt het niet direct zo op het eerste zicht maar een batterij kan namelijk verslijten. Telkens wanneer een batterij een op- en ontlaad cyclus doorloopt dan gaat de batterij een beetje verslijten. Dit heeft als gevolg dat de opslagcapaciteit van de batterij gaat afnemen. In het begin is deze afname zeer beperkt en zal de gebruiker die niet opmerken. Maar wanneer het aantal doorlopen cyclussen oploopt dan wordt deze afname van de opslagcapaciteit ook steeds een beetje groter. En op een gegeven moment zal d gebruiker dit wel gaan opmerken. Het is niet direct een probleem wanneer de gebruiker dit opmerkt maar het wordt na verloop van tijd wel een probleem omdat de batterij steeds minder lang meegaat. En wanneer de gebruiker de batterij vaak moet gaan opladen, wordt dit op de duur een ongemak. Dus ook hier moet er aandacht aan besteed worden bij de ontwikkeling van oplaadbare batterijen.

De ontwikkeling van een batterij is dus niet zo eenvoudig omdat er rekening moet gehouden worden met deze factoren en ook nog andere. Momenteel wordt er het meest gebruik gemaakt van lithium-ion batterij in de consumentenelektronica. Dit vanwege hun hoge energiedichtheid. Een lithium-ion batterij bestaat uit drie primaire elementen, namelijk een anode, kathode en een elektrolyt. De twee elektrodes, dus de anode en de kathode, bevinden zich in het elektrolyt maar deze zijn via een uitwendig elektrisch circuit met elkaar verbonden. In de 'gewone' lithium-ion batterij is de anode gemaakt van koolstof, de kathode van een metaaloxide en bestaat het elektrolyt uit lithiumzout opgelost in een organische oplossing. Het zijn deze drie onderdelen die de eigenschappen van de batterij gaan bepalen. En dus door één van deze drie te gaan of ze alle drie te gaan veranderen kan men ook de eigenschappen van de batterij gaan veranderen. Het op- en ontladen van een lithium-ion batterij gebeurt doordat Li+ ionen zich gaan verplaatsen doorheen het elektrolyt, van de kathode naar de anode of omgekeerd. Wanneer dit gebeurt worden er ook elektronen getransporteerd via het extern elektrisch circuit tussen de twee elektrodes. Deze stroom van elektronen is dan het nuttig product voor ons, namelijk een elektrische stroom. En bij de ontwikkeling van batterijen is het dus een kwestie om een batterij te maken die deze elektronen stroom zo groot en zo lang mogelijk kan laten stromen. En dit voor zoveel mogelijk op- en ontlaadcyclussen na elkaar.

Een bedrijf die zich bezighoudt met de ontwikkeling van lithium-ion batterijen is Amprius. En onlangs zijn ze er in geslaagd om een relatief groot succes te boeken. Namelijk ze zijn er in geslaagd om een batterij te ontwikkelen die dubbel zo veel energie kan opslaan als dat de beste batterijen die momenteel op de markt te vinden zijn, dat kunnen. Deze batterijen zouden ervoor zorgen dat de batterijen van elektronische toestellen tot 40% langer meegaan voordat men ze opnieuw moet opladen. Hun ontwerp is zo'n opmerkelijk succes dat er nu al grote fabrikanten van elektronische toestellen zijn gaan samenwerken met dit bedrijf. Dit is vrij speciaal aangezien hun ontwerp voor de batterij nog maar in de experimentele fase zit. Maar naar schatting zouden deze batterijen tegen 2012 op de markt verkrijgbaar zijn. En deze zouden niet alleen gebruikt kunnen worden in elektronische toestellen maar ook voor het aandrijven van wagens. De grote verbeteringen worden mogelijk gemaakt doordat ze een nieuwe soort elektrodes gemaakt hebben. Deze elektrodes zijn namelijk opgebouwd uit nanostructuren van silicium.

Voor de afgelopen dertig jaar maakt men steeds gebruikt van ongeveer dezelfde anodes die opgebouwd zijn uit grafiet. En dus zonder dat er nieuwe materialen gebruikt werden bij het ontwerp van de lithium-ion batterij, is de opslagcapaciteit van deze batterijen toch toegenomen. Elk jaar nam de gemiddelde opslagcapaciteit van de lithium-ion batterijen met zo'n 7% toe. Deze toename was telkens te danken aan verfijningen van het ontwerp van de batterijen. Maar voor elke batterij die opgebouwd is uit verschillende materialen bestaat er een theoretische grens voor de opslagcapaciteit. Deze theoretische grens staat voor de hoeveelheid energie die er maximaal kan opgeslagen worden door een batterij, opgebouwd uit bepaalde materialen. Deze theoretische limiet wordt grotendeels bepaald door de materialen die gebruikt worden. Dus wanneer men andere materialen gaat gebruiken, verkrijgt men ook een andere theoretische grens voor de opslagcapaciteit.

En het blijkt nu zo te zijn dat deze theoretische grens voor een batterij met een anode uit silicium tien maal groter is dan voor een batterij met een anode uit grafiet. Maar het is niet eenvoudig om een elektrode te gaan bouwen uit silicium die ook praktisch bruikbaar is in een batterij. Wanneer er Li+ ionen telkens in en uit een elektrode van silicium bewegen telkens als de batterij op- of ontlaad, dan gaat het silicium opzwellen en gaat de elektrode breken. En dit was de reden waarom met grafiet gebruikt in plaats van silicium. Maar in 2007 demonstreerde Yi Cui, een professor in material science and engineering van Stanford University, dat een film van nanostructuren uit silicium wel op- en ontladen worden met lithium-ionen, zonder dat het materiaal gaat opzwellen en breken. Hierdoor wordt het dus mogelijk om een batterij te gaan maken met anode van silicium.

Deze ontdekking van Yi Cui werd dan de basis voor de opstart van het bedrijf Amprius. Amprius had dus het doel om een lithium-ion batterij te ontwikkelen met een anode gemaakt van silicium. De nanostructuur die op de film wordt aangebracht bestaat eigenlijk uit allemaal nanodraadjes van silicium. Al deze super-kleine draadjes staan verticaal op de film en hangen dus aan één uiteinde vast aan de film. De draadjes staat wel dicht maar niet helemaal tegen elkaar. Deze opstelling zorgt ervoor dat het silicium vrij flexibel blijft. En op de anode van de batterij wordt er dus een dergelijke film aangebracht. Wanneer de batterij dan op- of ontlaad, dan gaan de lithium-ionen in of uit het silicium bewegen. In het geval dat de lithium-ionen in het silicium komen te zitten, dan gaat het silicium gaan opzwellen. En doordat de nanodraadjes niet helemaal tegen elkaar staan, is er nog ruimte voor de nanodraadjes om te kunnen opzwellen.

Nu de nanodraadjes toe laten dat het silicium kan opzwellen, is er hoop voor lithium-ion batterijen met een anode van silicium. Maar de nanodraadjes lossen het probleem nog niet helemaal op, namelijk de verbinding tussen de nanodraadjes en de onderliggende film is niet sterk genoeg. Wanneer de nanodraadjes gaan opzwellen wordt deze verbinding zwakker en gaat het nanodraadje uiteindelijk afbreken. Maar bij Amprius bedachten ze een oplossing voor dit probleem. Door de nanodraadjes te gaan versterken met een metalen kern, die via een stevige verbinding vast zit op de film, kan men voorkomen dat het nanodraadje gaat afbreken. Tijdens de testen van een batterij met een anode gemaakt van deze nanodraadjes van silicium, stelden de onderzoekers vast dat er drie maal meer energie kan opslagen worden per kilogram. Hierna zijn de onderzoekers prototypes gaan bouwen om hun technologie uitvoeriger te kunnen uittesten.

Met deze prototypes onderzocht men hoeveel cyclussen deze anode kan doorstaan vooraleer ze stuk gaat. De prototypes hebben meer dan 250 cyclussen doorstaan. De totale opslagcapaciteit over als deze 250 cyclussen is dubbel zo groot als die van conventionele batterijen. Deze grotere opslagcapaciteit maakt deze batterij bijzonder geschikt voor in elektrische wagens. Want hiermee is het bereik van de elektrische wagen veel groter dan met conventionele batterijen. Maar voordat ze gebruikt kunnen worden in elektrische wagens, zal er wel nog een probleem opgelost moeten worden. Namelijk voor in elektrische wagens moet de batterij zeker 3000 cyclussen kunnen doorstaan en dit is heel wat meer dan de 250 die men behaalde met de prototypes. En ook nog een ander probleem zal moeten bekeken worden indien men deze batterijen op grote schaal wil gaan produceren, namelijk hoe men deze anodes juist zal gaan produceren in grote volumes. Tot nu toe werden deze maar in zeer beperkte aantallen gemaakt op labo-schaal. Maar aan de hand van dit proces in het niet mogelijk om aan massaproductie te doen. Wat men wel al weet is dat de productie van deze anodes duurder zal zijn dan de productie van anodes uit grafiet. Maar deze extra kost zal dan weer ten niet gedaan worden door de grotere opslagcapaciteit. Amprius zal er wel spoed moeten achter steken om zo snel mogelijk hun techniek op te markt te kunnen brengen. Dit aangezien de elektrische wagen aan een opmars bezig is en wanneer hiermee nog te lang gewacht wordt, is het mogelijk dat ze de trein gemist zullen hebben.

Geschreven door Emile Glorieux, bron [technologyreview]