Reactief De onderzoeksgroep van Marnix Wagemaker, hoog leraar elektrochemische energieopslag aan de Techni sche Universiteit Delft (TU Delft), is een van de leiden de groepen in Nederland op het gebied van batterijen. Met fundamenteel onderzoek draagt hij bij aan nieuwe concepten, zoals de lithiumionbatterij met een lithium metaalanode. ‘Want welk metaal kan meer lithiumionen opslaan dan lithium zelf?’, zegt de onderzoeker. Theoretisch gezien zou een lithiumanode dit batterij type tot de maximale energiedichtheid moeten brengen. Eenvoudig is dat niet. Lithiummetaal is zeer reactief, waardoor het binnen de kortste keren reageert met de elektrolyt en die onwerkzaam maakt. Een nieuw ontwikkeld type elektrolyt op basis van amiden in plaats van carbonaten zou hier uitkomst kunnen bieden. Door de reactie van de elektrolyt met het metaaloppervlak ontstaat een laagje rondom de anode die de elektrolyt vervolgens weer beschermt. ‘Er is minder contact, waardoor het lithium zich rustiger gedraagt. Ondertussen laat deze laag nog steeds ionen door zodat de batterij blijft werken’, zegt Wagemaker. ‘De elektrolyt zal nog steeds vergaan tijdens het gebruik, maar nu hebben we dat proces flink vertraagd.’
Het LeidsEindhovense bedrijf LeydenJar is een stap verder en werkt aan een commerciële lithiumion batterij met een anode van puur silicium. In de hui dige lithiumionbatterij nestelen de lithiumionen zich tijdens het opladen als het ware in de kristalstructuur van de grafieten anode. Per zes koolstofatomen kan deze anode slechts één lithiumion vasthouden. Silici um kan in theorie wel tien keer zoveel van deze ionen bergen en is daarom een populaire vervanger voor de grafieten anode. Maar omdat silicium niet de kristal structuur van grafiet heeft, is dat niet een op een te vervangen. Silicium vormt tijdens het opladen een legering met de lithiumionen, waardoor het materi aal uitzet. Een anode van puur silicium is slechts en kele keren te gebruiken. Daarna is ze letterlijk kapot. Onderzoekers van LeydenJar ontwikkelden daarom een poreuze siliciumstructuur die als het ware kan ademen. Zo wordt het materiaal weerbaar tegen het uitzetten door de opname van de lithiumionen en is de anode wél herbruikbaar. Tesla De afgelopen vier jaar heeft het bedrijf het ontwerp van deze anode geoptimaliseerd en medio vorig jaar is het gelukt een recordbatterij te maken. ‘De energiedichtheid is 1350 wattuur per liter, 70 procent meer dan de dicht heid van de huidige lithiumionbatterij’, zegt Christiaan Rood, de oprichter van het bedrijf. LeydenJar wil zich eerst op consumentenelektroni ca richten, zoals de mobiele telefoon. Daarvoor is de minimale eis dat een batterij vijfhonderd keer kan
t
prominent op de kaart als hightech batterijenland. Zo wordt er gewerkt aan alternatieve elektrodematerialen om de energiedichtheid te verhogen en aan veiligere elektrolyten zonder oplosmiddelen. Een andere onder zoekslijn richt zich op het vervangen van de relatief dure ladingdrager lithium.
De battolyzer, in aanbouw bij de Vattenfallcentrale in de Eemshaven, is nuttig in de waterstofeconomie. foto : vattenfall
JANUARI 2021 • DE INGENIEUR
35