Onderzoekers ontwikkelen monsterbatterij
Zijn de dagen van de nederige lithium-ionbatterij geteld dankzij de eeuwig levende batterij?
Onderzoekers van de Amerikaanse Stanford-universiteit hebben een nieuw nanopartikelmateriaal gemaakt dat gebruikt kan worden om ‘eeuwig levende’ batterijen te maken. Die kunnen op hun beurt gebruikt worden bij elektriciteitsnetwerken.
Volgens de onderzoekers kan het materiaal gebruikt worden voor batterijen die wel dertig jaar meegaan. Het korte leven van grote batterijen is al langer een pijnpunt, maar dankzij deze ontdekking kunnen batterijen ontwikkeld worden die je honderd keer meer kunt opladen dan de batterijen van nu.
Doorbraak
De onderzoekers verklaren dat ze nanodeeltjes van een koperverbinding gebruikten om een batterij-elektrode te maken die goedkoop is om te maken, maar die veel kracht levert. Je kunt ze telkens opnieuw opladen, ze is enorm efficiënt en verschrikkelijk duurzaam.
De technologie heeft een erg hoog potentieel, aangezien ze het grootste struikelblok van windturbines en zonnepanelen kan oplossen. Je kunt ze namelijk alleen gebruiken wanneer het waait of wanneer de zon schijnt. De superbatterij zou dan energie vasthouden tot ze nodig is.
Hoewel de Amerikaanse onderzoekers de batterij zelf nog niet gebouwd hebben, zeggen ze dat de kristallijne, kopergebaseerde nanodeeltjes een erg belangrijk onderdeel zijn voor de elektroden.
Volgens laboratoriumtests overleeft de elektrode een verbluffende 40.000 laad- en ontlaadbeurten. Daarna kun je ze nog steeds tot 80% van haar originele capaciteit opladen. In vergelijking kun je de bekende lithium-ionbatterij maar vierhonderd keer op- en ontladen voor de batterij zo goed als kapot is.
“Laten we zeggen dat je de batterij ‘slechts’ enkele keren per dag opnieuw oplaadt”, zegt Colin Wessels, graduaatsstudent in materiaalwetenschap. “Dan nog kun je ze dertig jaar of langer gebruiken. Ideaal voor in het elektriciteitsnetwerk.”
Hoe werkt het?
Het lijkt erop dat de elektrode haar duurzaamheid te danken heeft aan de atomische structuur van het kristallijne koperhexacyanofaat dat gebruikt wordt. Deze kristallen hebben blijkbaar een open ‘raamwerk’ waardoor ionen – de elektrisch geladen deeltjes wier massale beweging de batterij oplaadt – gemakkelijk in en uit kunnen bewegen zonder de elektrode te beschadigen.
De meeste batterijen falen of gaan kapot doordat de kristalstructuur van de batterij te hard beschadigd wordt.
“Omdat de ionen zo vrij kunnen bewegen is de op- en ontlaadcyclus erg kort”, zeggen de onderzoekers. “Dat is belangrijk, want de kracht die je uit een batterij haalt staat in proportie tot de tijd die nodig is om de elektrode te ontladen.”
De onderzoekers zeggen dat ze op zoek moesten naar ionen van de juiste grootte, zodat ze gebruik konden maken van het open framework. Wanneer de ionen te klein zijn kleven ze aan één kant van het atoom; te groot en ze kunnen de kristalstructuur beschadigen wanneer ze in of uit de elektrode bewegen.
Het juiste ion blijkt gehydrateerd kalium te zijn: veel beter dan andere gehydrateerde ionen als natrium en lithium. “Het past perfect”, zegt Yu Cui, professor in de materiaalwetenschap en adviseur van Wessels. “Kalium beweegt zich vrij, zonder de omgeving te storen. Op deze manier krijg je een batterij met een erg veel kracht.”
Batterijontwikkeling
Ondertussen gaat de race naar de perfecte batterij door. In maart maakte een groep elektriciteitsingenieurs van de universiteit van Illinois bekend dat ze een batterij ontwikkelen waarmee mobiele telefoons honder keer langer zouden kunnen meegaan.
Die batterij gebruikt koolstofnanotubes, ongeveer tienduizend keer dunner dan een menselijke haar, in plaats van traditionele metalen draadjes. Volgens de ingenieurs is de energieconsumptie evenredig met de grootte van de componenten die informatie opslaan en ophalen. Dunnere draadjes betekenen dus een lager energieverbruik.
Onderzoekers van de universiteit van Maryland hebben dan weer gewerkt aan het verbeteren van de capaciteit van lithium-ionbatterijen. Vorig jaar werd bekend dat een biologisch virus, bekend als Tobacco Mosaic (TMV), de oppervlakte van elektroden in een batterij kunnen vergroten. De energiecapaciteit zou daardoor vertienvoudigen.
In september vonden wetenschappers aan de universiteit van Leeds een gelei-lithiumbatterij uit. De flexibele polymeergel kan elke vorm aannemen zodat het in elk apparaat past. Bovendien is de batterij maar enkele nanometers dik en kan er tien meter per minuut van gemaakt worden.
