De wereld wacht op een doorbraak in de batterij. Bijna elke sector van de elektronica-industrie, alles wat op een batterij werkt, wordt beperkt door het uitgangsvermogen en de levensduur van de batterijen.
gerelateerde inhoud
- Waarom zout het waardevolste bezit van deze energiecentrale is
- U hoeft deze batterijloze mobiele telefoon nooit aan te sluiten
"De vooruitgang of de vooruitgang van batterijen is veel langzamer dan op andere gebieden, en dit is een intrinsieke beperking van batterijen, " zegt Stefano Passerini, hoofdredacteur van het Journal of Power Sources . “Je kunt geen batterij verwachten die een week of een maand energie kan leveren aan een mobiele telefoon. Helemaal aan het einde wordt de maximale hoeveelheid energie die je in een batterij kunt opslaan, bepaald door de beschikbare elementen. "
Maar er is vooruitgang. Onderzoekers werken aan verbetering van de energiedichtheid (sap per gewicht en volume), de prijs, de veiligheid, de impact op het milieu en zelfs de levensduur van de meest populaire klasse, lithium-ionbatterijen, en het ontwerpen van geheel nieuwe types.
De meeste batterijen zijn te vinden in drie hoofdindustrieën: consumentenelektronica, automotive en netopslag.
"Ik zou ze de drie grote emmers noemen waar mensen elkaar kruisen met batterijen", zegt Venkat Srinivasan, adjunct-directeur van onderzoek en ontwikkeling bij het Joint Centre for Energy Storage Research van het Department of Energy. Elke emmer heeft andere vereisten, en dus kunnen de gebruikte batterijen (soms) erg van elkaar verschillen. Die telefoon in je zak heeft een batterij nodig die compact en veilig is, maar het gewicht en de kosten zijn minder belangrijk. Opschalen naar autobatterijen, en met zoveel batterijen worden kosten en gewicht belangrijk, evenals de levensduur (je zou heel gek zijn als die nieuwe Tesla om de paar jaar nieuwe batterijen nodig had). Schaal nog verder op en de batterijen die worden gebruikt om stroom op te slaan voor huizen en het elektriciteitsnet, hebben zeer weinig gewichts- of groottevereisten.
Al tientallen jaren werkt consumentenelektronica - uw telefoon, computer, camera, tablet, drones, zelfs uw horloge - op lithium-ionbatterijen, dankzij hun gemakkelijke oplaadbaarheid en hoge energiedichtheid. In deze batterijen vormt een rooster van grafiet, gevuld met lithiumionen, de anode. Een oxide vormt de kathode, verbonden met de tegenoverliggende aansluiting, en de twee worden gescheiden door een vloeibare elektrolyt waarmee ionen erdoorheen kunnen gaan. Wanneer de externe aansluitingen zijn aangesloten, oxideert het lithium en stromen de ionen naar de kathode. Opladen is precies andersom. Hoe meer lithiumionen op deze manier kunnen worden overgedragen, hoe meer vermogen de batterij kan bevatten. We zijn het compacte formaat en gebruiksgemak gaan waarderen, zo niet de batterijduur en veiligheid. Maar er is misschien niet veel ruimte voor verdere verbetering, zegt Passernini.
"Nu zijn lithium-ionbatterijen bijna de limiet bereikt, " zegt hij. "Hoewel we dit al ongeveer 10 jaar geleden zeiden, en de verbeteringen in de afgelopen 10 jaar zijn behoorlijk aanzienlijk geweest."
In het geval van auto's zijn batterijen uiteindelijk verantwoordelijk voor de levensduur van de auto en voor de angst voor het gevreesde bereik als het gaat om elektrische auto's. Om dit probleem aan te pakken, proberen ingenieurs en wetenschappers meer voltagecapaciteit in batterijen te proppen. Maar dat wordt vaak geassocieerd met foutieve chemische reacties, die de capaciteit na verloop van tijd verminderen. Veel onderzoek is gewijd aan het vinden van nieuwe materialen en chemicaliën om het lithium-ionrooster of andere delen van de batterij te helpen of te vervangen.
Srinivasan wijst op een paar potentiële innovaties, en deze zijn niet alleen voor auto's: het traditionele grafietanode-rooster kan worden vervangen door silicium, dat 10 keer zoveel lithiumionen bevat. Maar silicium heeft de neiging om uit te zetten als het lithium absorbeert, dus batterijen zullen daar rekening mee moeten houden. Of: in plaats van het rooster zou lithiummetaal als de anode kunnen fungeren - op voorwaarde dat we erachter kunnen komen hoe we kunnen voorkomen dat het catastrofaal kortsluit wanneer het wordt opgeladen. Het is een probleem dat batterijfabrikanten proberen op te lossen sinds de lithium-ionbatterij decennia geleden werd uitgevonden. "We zijn erg hoopvol geworden dat we op een moment komen dat dit 30-jarige probleem misschien opnieuw kan worden aangepakt", zegt Srinivasan.
Misschien kan lithium volledig worden vervangen. Onderzoekers kijken naar manieren om in plaats daarvan natrium of magnesium te gebruiken, en het Joint Center for Energy Storage Research gebruikt computermodellering om op maat ontworpen, op oxide gebaseerde materialen te onderzoeken die kunnen werken als de kathode voor een magnesiumanode. Magnesium is vooral aantrekkelijk omdat het dankzij zijn structuur twee elektronen per atoom kan accepteren, waardoor de lading verdubbelt.
Prashant Jain en zijn medewerkers aan de Universiteit van Illinois werken aan een ander facet van lithiumbatterijen: de elektrolyt. De elektrolyt is de vloeistof die de ruimte vult tussen het kation (positief geladen ion) en anion (negatief geladen ion), waardoor geladen deeltjes erdoorheen kunnen stromen. Het is al lang bekend dat bepaalde vaste materialen, zoals koperselenide, ook ionen laten stromen, maar niet snel genoeg om apparaten met een hoog vermogen te laten werken. Jain, universitair docent scheikunde en zijn studenten, hebben een superionische vaste stof ontwikkeld, gemaakt van nanodeeltjes van koperselenide, die verschillende eigenschappen heeft. Het laat geladen deeltjes stromen met een snelheid die vergelijkbaar is met die van een vloeibare elektrolyt.
De potentiële voordelen van deze technologie zijn tweeledig: veiligheid en levenscyclus. Als een huidige lithium-ionbatterij beschadigd raakt, kortsluit de batterij en wordt deze warm. De vloeistof verdampt en er is niets dat een snelle ontlading van energie voorkomt - boem. Een vaste stof voorkomt die kortsluiting en staat een volledig metalen anode toe, die een grotere energiecapaciteit biedt. Bovendien beginnen vloeibare elektrolyten gedurende herhaalde cycli de kathode en anode op te lossen, en dit is een primaire reden dat de batterijen uiteindelijk niet worden opgeladen.
“Er zijn al deze incrementele verbeteringen geweest die daadwerkelijk een aantal vooruitgang hebben geboekt. Maar er is nooit een grote dramatische doorbraak geweest, disruptieve technologie waarvan je nu kunt zeggen dat de solide elektrolyt echt overeenkomt met het potentieel op het gebied van het transport van ionen die vloeibare elektrolyten [kunnen], "zegt Jain. "Nu de veiligheidsproblemen naar voren komen, met vloeibare elektrolyten, hebben onderzoekers gedacht dat we misschien iets dramatischs moeten bedenken met vaste elektrolyten en er eens en voor altijd een moeten maken die een vloeibare elektrolyt kan vervangen."
John Goodenough, mede-uitvinder van de lithium-ionbatterij, ontwikkelt een batterij met een op glas gebaseerde elektrolyt. (Cockrell School of Engineering, The University of Texas at Austin) Een van de mede-uitvinders van de originele lithium-ionbatterij pakt zelf een nieuwe koers naar elektrolyten in vaste toestand: John Goodenough, emeritus hoogleraar engineering aan de Universiteit van Texas, heeft een patentaanvraag voor een batterij met een glas gepubliceerd en ingediend elektrolyt. Door het glas te impregneren met lithium of natrium, heeft Goodenough de stroom nog sneller laten stromen, terwijl kortsluiting wordt voorkomen en de energiecapaciteit met een vaste anode wordt verhoogd.
Al dit onderzoek zal invloed hebben op de batterijen in onze zakken en auto's. Maar er is een derde categorie, waar de gevolgen wereldwijd zijn.
Melanie Sanford gebruikt modelleringstools op een ander type batterij: enorme redox-stroombatterijen die energie van hernieuwbare energiecentrales opslaan en vrijgeven wanneer wind en zon niet beschikbaar zijn. Door de pieken en dalen van energieproductie en -verbruik te compenseren, kunnen hernieuwbare energiebronnen worden opgeschaald om meer te bieden dan alleen aanvullende energie.
Zuid-Californië Edison experimenteert al met batterijbanken, met behulp van Tesla-autobatterijen, maar omdat de batterijen op traditionele lithium-ionen gebaseerd zijn, zijn ze te duur om te gebruiken op een schaal die wereldwijde hernieuwbare energie mogelijk maakt. Bovendien zijn de beperkingen voor een netaccu veel anders dan voor een auto. Gewicht en grootte zijn geen probleem, maar prijs en levensduur wel.
In een redox-stroombatterij wordt energieopslagmateriaal in grote tanks in vloeibare vorm gehouden en vervolgens naar een kleinere cel gepompt waar het reageert met een vergelijkbaar apparaat dat de tegenovergestelde lading heeft. Dankzij de computermodellering heeft het laboratorium van Sanford organische moleculen op maat kunnen ontwerpen, wat leidt tot een duizendvoudige toename, van minder dan een dag tot maanden, in de tijd dat deze moleculen stabiel blijven.
"Voor de bron op rasterschaal heb je materialen nodig die super goedkoop zijn, want we hebben het over enorme batterijen", zegt Sanford. "We hebben het over een windmolenpark en dan over een vergelijkbaar gebied met magazijnen die deze batterijen bevatten."
Volgens Sanford zullen innovaties komen van zowel materiaalkunde - het ontwikkelen van nieuwe materialen om in onze batterijen te stoppen - als van ingenieurs die de systemen die rond die materialen zijn gebouwd efficiënter zullen maken. Beide zullen nodig zijn, maar de pijplijn van onderzoek naar productie zal noodzakelijkerwijs een ander knelpunt zijn.
"Iedereen moet zich ervan bewust zijn dat er niet één batterij is die in alle toepassingen past", zegt Passerini. “Het is duidelijk dat zelfs een klein beetje - 10 procent, 20 procent prestaties - het een groot probleem is. We moeten onderzoek in het veld doen. De wetenschappers moeten worden ondersteund. "
