Mijnelektrischeauto.nl - Maakt elektrisch rijden gemakkelijk!

Blog Post

Toekomst van batterijen: derde generatie batterijtechnologie gaat in rap tempo onze wereld veranderen

Het gebrek aan innovaties op het gebied van batterijtechnologie belemmert de grootschalige adoptie van elektrische auto’s, groei van duurzame energie en zorgt voor irritaties in het dagelijks leven. Bedrijven en universiteiten van over de hele wereld zijn bezig met het probleem van energieopslag. Deze initiatieven beginnen hun vruchten af te werpen. 

Een van de aspecten van smartphones waar ik mensen het meeste over hoor klagen is de een slechte batterijduur. “Het hoort er een beetje bij” of “Het is niet anders” hoor ik mensen vaak zeggen. Door de vele toepassingen die onze smartphones mogelijk maakt, dien je het toestel na een halve dag alweer aan de oplader leggen. Er is in de afgelopen tijd weinig veranderd omtrent de batterijtechnologie, afgezien van draadloos laden en een iets snellere oplader. De vraag is: staan we eigenlijk op het punt om daar verandering in te brengen?

De thuisaccu

De batterijtechnologie is niet alleen bij smartphones een belangrijk onderwerp. Door de komst van het (thuis) opwekken van energie zijn veel huishoudens, als de zon schijnt of de wint waait onafhankelijk van grote energiemaatschappijen. Eigenaren van zonnepanelen mogen nu nog salderen, waarbij teruglevering van elektriciteit wordt verrekend met het netverbruik tegen hetzelfde tarief. Zij betalen daardoor geen energiebelasting op dit gedeelte. Het kabinet pleit voor een versobering van de salderingsregeling vanaf 2020. Dit maakt het het in de toekomst niet interessant om de energie terug te leveren aan het net. Maar waar moet je dan met deze energie naartoe? Een thuisaccu speelt daarop in door de mogelijkheid te bieden om deze energie op te slaan voor later gebruik en daarmee volledig onafhankelijk te worden van energiemaatschappijen.

Een Tesla Powerwall heeft nu de mogelijkheid om tussen de 7 en 10 kWh op te slaan, terwijl alleen het aanzetten van de wasmachine, de droger en een 20 min stofzuigen al goed is voor een verbruik van 6 kWh. Verbeterde batterijtechnologieën zouden er dan ook voor moeten zorgen dat de Powerwall goedkoper wordt en meer energie kan opslaan. Samen met de accupakket van een elektrische auto is een huishouden voor meerdere dagen van energie te voorzien.

Tesla Thuisaccu

Elektrische auto’s

Ook elektrische auto’s hebben baat bij nieuwe technologieën voor batterijen. De Tesla Model S en Model X worden binnenkort leverbaar met een 100 kWh-accupakket. Het prijskaartje van de auto wordt voor tussen de 40 en 60 procent bepaald door de batterijen. Wanneer de batterijtechnologie verbetert, worden elektrische auto’s niet alleen goedkoper en daarmee aantrekkelijker, maar krijgen ze ook een groter rijbereik (ook wel actieradius genoemd). Het gaat dus niet alleen om de batterij van je smartphone, maar ook om de mogelijkheden van duurzame energie en transport te vergroten.

Spanningen tussen Rusland en het Westen nu ook over energie

Steve Levin, schrijver van het boek The Powerhouse: Inside the Invention of Battery to Save the World sprak vorig jaar op Border Sessions over de langzame ontwikkeling omtrent het opslaan van energie en de gigantische aandacht die er voor het ontwikkelen van nieuwe batterijtechnologie is. Een infrastructuur voor grootschalige energieopslag is een belangrijk aspect voor een duurzame toekomst.

Volgens Levin is de Russische President Vladimir Poetin hier best nerveus van en kan de uiteindelijke ontwikkeling van batterijen wel eens uitmonden op meer “spanning”. Ruim 68 procent van de totale Russische export bestaat namelijk uit olie en gas. Nieuwe technologieën zullen er voor zorgen dat er op grote schaal groene energie kan worden opgeslagen, dat zou betekenen dat we drastisch minder zullen afnemen, wat extreme gevolgen heeft voor de inkomsten van Rusland.

Op dit moment zijn er enkele mogelijkheden om groene energie op te slaan, maar volgens John Morgan, wetenschappelijk docent aan RMIT University in Melbourne, hebben deze op groenteschaal meer energie nodig dan het uiteindelijk opbrengt. Dit wordt ook wel EROEI, de Energy Returned On Energy Invested ratio genoemd. Zonne-energie heeft bijvoorbeeld een EROEI van 3,6. Dit tegenover kolen die een EROEI van 30 hebben. Putin hoeft zich op dit moment nog even niet druk te maken, of toch wel?

Verschillende batterijen

Een batterij werkt kort samengevat door middel van chemische reacties, waardoor er aan de min-pool elektronen worden vrijgemaakt en op het zelfde moment elektronen worden gebonden aan de plus-pool. Dit creëert een stroom van elektronen die door een lamp of apparaat geleid kunnen worden.

De meest bekende batterij is de alkalinebatterij. Deze batterij wordt vaak, in de vorm van AA of AAA-batterijen, gebruikt in speelgoed, fotocamera’s en de afstandsbediening. De alkalinebatterij is de opvolger van de milieuvervuilende zink-koolstofcel en levert 3,4 keer meer energie.

Als opvolger van de alkalinebatterij wordt vaak de lithium-ion batterij genoemd. Deze zie je vaak terug komen in smartphones, tablets en laptops maar ook in elektrische auto’s en plugin-hybrides. In een Lithium-ion batterij bewegen Lithium-ionen samen met elektronen van de ene naar de andere elektrode. Voor een negatieve kant wordt vaak grafiet gebruikt, het zelfde materiaal als de punt van je potlood. De gelaagde structuur van grafiet zorgt er voor dat ionen makkelijk kunnen worden opgenomen. Hoe meer ionen je kunt opslaan, des te meer energie de batterij kan afgeven.

Ook de Lithium-ijzer-fosfaat batterij behoort tot de Lithium-ion batterijen. De LiFePO4 heeft als kathode (positieve kant) Lithium-ijzer-fosfaat. De batterij staat bekend om zijn grote capaciteit en is zeer stabiel. Dit maakt de batterij veiliger dan andere batterijen. De LiFePo4 levensduur is een keer zo lang als een Lithium-ion batterij en wordt gebruikt voor elektrische fietsen, scooters, golftrolleys en boten. De kosten van een LiFePo4 is een drempel voor een grote adoptie – de batterij is een keer zo duur als een lithium-ion.

De ontwikkeling van deze batterijen staat de laatste jaren echter bijna nagenoeg stil en de prijs van de batterijen is hoog. Wel wordt er volop (wetenschappelijk) onderzoek gedaan. Zo zijn er veel varianten op de Lithium-batterijen zoals de Lithium-air batterij. Deze batterij heeft veel potentie door de grote energiedichtheid, die vergelijkbaar is met de energiedichtheid van benzine. Tot nu toe is het probleem bij deze batterij dat ze weinig herlaadcycli en lange herlaadtijden hebben. Ook is de batterij niet stabiel en daardoor onveilig om mee rond te rijden of in een smartphone te stoppen.

Een andere belangrijke ontwikkeling is de Flow-batterij. Dit is een kruising tussen een accu en brandstofcel. De batterij pompt vanuit twee tanks vloeibaar elektrolyt door de batterij waarbij een redoxreactie plaats vindt. Hierbij bewegen positief geladen deeltjes van de ene naar de andere pool. De batterij is daarna weer op te laden door nieuwe elektrolyt te tanken. Deze batterij zou als vervanger voor een brandstofcel moeten dienen. De vloeibare elektrolyten zijn echter lastiger in de omgang, waardoor waterstof het tot nu toe lijkt te winnen.

Dan zijn er nog de aluminiumbatterij en zoutwater-batterijen. Verschillende wetenschappers hopen hiermee de alkalinebatterijen te kunnen vervangen. Naast dat de aluminiumbatterij in een minuut weer is opgeladen, claimen de wetenschappers dat de batterij ook veliger is dan de Lithium-ion batterij, hij zou minder snel in brand vliegen, en is milieuvriendelijker dan alkalinebatterijen. Deze techniek is uitermate geschikt voor opslag van zonne-energie.

Ook Blue Battery werkt aan een nieuw soort batterij, maar dan een die wordt opgeladen door zout van zoet water te scheiden. Heb je een nieuwe stroom nodig? Dan keer je het proces om en laat je zout en zoet water bij elkaar komen om weer stroom op te wekken. Het nadeel van deze technologie is het formaat. Voor een thuisbatterij – zoals een Tesla PowerWall van 10 kWh – heb je al snel een klein zwembad nodig (5000 liter water).

Elon Musk, Directeur van Tesla investeert in schaalgrootte

Het draait bij batterijen allemaal om de beste combinatie tussen een zo hoog mogelijke energiedichtheid, vermogen, levensduur en de prijs. Dat dit een hele moeilijke opgave is weet ook Elon Musk, Directeur van Tesla en tevens voorzitter bij SolarCity. De geboren Zuid-Afrikaan ziet veel synergievoordelen tussen de beide bedrijven. Musk heeft aangegeven 5 miljard dollar in de ontwikkeling van batterijen te stoppen. Dit met de bouw van de Gigafactory 1. Met deze fabriek – in de woestijn van Nevada – wil hij de prijs van batterijen in de toekomst enorm laten dalen. Doelstelling: tussen 2021 en 2025 ongeveer 2 á 3 keer zo goedkoop.

Hieronder een trendanalyse van het BNEF.

“At the core of this forecast is the work we have done on EV battery prices. Lithium-ion battery costs have already dropped by 65% since 2010, reaching $350 per kWh last year. We expect EV battery costs to be well below $120 per kWh by 2030, and to fall further after that as new chemistries come in.”

—Colin McKerracher, lead advanced transportation analyst at BNEF

Kosten voor lithium-ion batterijen in toekomst

Musk is begonnen met het bouwen van de Gigafactory omdat hij nog geen fantastische toekomst tegemoet ziet als het gaat om de ontwikkeling van andere soorten batterijen. Musk liet weten 60 verschillende technieken te volgen omtrent de ontwikkeling van batterijen. De ontwikkelingen zijn gerangschikt op basis van een cijfer tussen de 1 en 5, waarbij 1 niet waardevol is en bij 5 gelijk geïnvesteerd dient te worden om zo snel mogelijk een energierevolutie teweeg te brengen. Het hoogste cijfer dat hij tot nu toe heeft gegeven is een 3, waardoor het investeren in schaalgrootte voor Musk het meest waardevol leek. Tot voor kort ineens iets veranderde en de start van de energierevolutie nu binnen handbereik ligt.

Derde generatie batterijtechnologie

“Binnenkort krijgen auto’s, drones, smartphones, laptops en bijna alles met een batterij een gigantische impulse”, aldus SolidEnergy Systems (MIT spin-out). Het bedrijf belooft om de levensduur van de lithium-ion batterij (2e generatie) te verdubbelen, in formaat te halveren en een keer zo krachtig te maken.

Waarom is deze technologie zo belangrijk? Omdat deze technologie beter is dan de huidige batterijtechnologie en een energiedichtheid heeft van 400 tot 500 Wh / kg, het is niet brandbaar en kan worden gemaakt in bestaande fabrieken. Dit betekend een snelle implementatie met lage kosten voor het aanpassen van huidige productiemethoden. Welkom in de nieuwe wereld van Li-ion 2.0 (3e generatie batterijtechnologie).

4e Generatie Batterij

Het bedrijf werd opgericht door Qichao Hu, MIT student en ging vorig jaar verder als zelfstandig bedrijf. Hieronder het originele verhaal:

Tijdens zijn werkzaamheden als postdoc in de groep van MIT professor Donald Sadoway – een bekende batterij onderzoeker die een aantal gesmolten zout en vloeibaar metaal batterij heeft ontwikkeld – hielp Hu met het maken van een aantal belangrijke design en metaal ontwikkelingen in lithium-metaal batterijen. Dit werd de start voor SolidEnergy haar technologie.

De innovatie heeft een ultra-dun lithium- metaalfolie voor de anode, die heeft ongeveer een vijfde van de dikte van een traditionele lithium-metaal anode en meerdere malen dunner en lichter dan traditionele grafiet, koolstof of silicium anoden. Hierdoor wordt de batterij de helft kleiner.

Er bleek nog een grote tegenslag te zijn: de batterij werkte alleen bij een temperatuur van 80 graden celsius of hoger. “Dat was een showstopper”, aldus Hu. “Als de batterij niet werkt bij kamertemperatuur, zijn commerciële toepassingen beperkt.”

Hu ontwikkelde een vaste en vloeibare hybride elektrolytoplossing. Hij bedekt het lithium-metaal film met een dunne vaste elektrolyt die niet hoeft te worden verwarmd om te functioneren. Hij creëerde ook een nieuwe quasi-ionische vloeistof elektrolyt die niet brandbaar is, en heeft extra chemische modificaties – in de separator – en een innovatief cell ontwerp om te voorkomen dat het negatief reageert met het lithium-metaal.

Het eindresultaat was een batterij met de energiecapaciteit van een lithium-metaal batterij, maar met de veiligheid en levensduur van een lithium-ion batterij die werkt bij kamertemperatuur. “De combinatie van de vaste coating en nieuw hoog-efficiënt ionisch vloeistof materiaal was de technologie basis van Solidenergy”, aldus Hu.

Het bedrijf kreeg vorig jaar 12 miljoen aan investeringen en gaat in november naar de markt. In 2017 zullen de eerste smartphone batterijen op de markt worden gebracht en per 2018 ligt de focus op elektrische auto en drone batterijen. De productie is inmiddels gestart in Woburn, Massachusetts, in een fabriek die groot genoeg is om een Boeing 747 in te parkeren. Voor massaproductie kan de technologie – op licentiebasis – direct geadopteerd worden door batterijproducenten wereldwijd. 

Geef een reactie

preloader