Ultracondensator: auto in twee minuten opgeladen

Batterijen zijn traag, zwaar en duur. Geen wonder dus dat onderzoekers over de hele wereld naar alternatieven zoeken. Zullen ultracondensatoren elektrisch rijden op grote schaal mogelijk maken?

Waarom rijden we nog niet allemaal elektrisch?

Elektrisch rijden kent enkele grote voordelen. Elektriciteit is uit meerdere energiebronnen te genereren. Als morgen een uitvinder een geniale manier bedenkt om energie op te wekken, hoeven elektrische auto’s dus niet omgebouwd te worden. Er is ook geen extra infrastructuur voor nodig: een stopcontsct en een verlengkabel volstaat. Ook zijn elektromotoren zeer efficiënt: zeventig tot negentig procent. Benzinemotoren halen maar twintig procent. Weliswaar verloopt de omzetting van bijvoorbeeld gas of steenkool in elektriciteit niet erg efficiënt, al halen gascentrales nu al bijna zestig procent, maar ook stroom van waterkracht of zonnecellen kan gebruikt worden.

Twee grote nadelen voorkomen dat elektrisch rijden nog steeds doorbreekt. In batterijen kan maar weinig energie worden opgeslagen (een liter benzine bevat honderd keer zoveel chemische energie als een kilo accu) en het opladen duurt heel erg lang, vaak wel een nacht. Plus uiteraard de hoge kosten van lithium-ion accu’s, op dit moment de meestgebruikte accusoort. Onderzoekers over de hele wereld werken echter koortsachtig aan oplossingen voor deze twee problemen en de laatste jaren wordt steeds meer vooruitgang geboekt op deze drie terreinen.

Accu’s zijn dus traag, duur en verslinden energie. Geen wonder dat onderzoekers steeds meer interesse krijgen in condensatoren. Die zijn namelijk zeer snel op te laden en kunnen tot een miljoen keer opgeladen worden zonder dat ze degraderen. Dat is met een accu wel anders.

Condensatoren

Condensatoren werken fundamenteel anders dan batterijen en accu’s. In batterijen vindt een chemische reactie plaats (het ene metaal staat elektronen af en gaat in oplossing, terwijl het andere neerslaat en elektronen opneemt, bijvoorbeeld), waardoor elektronen van de negatieve naar de positieve pool stromen. De motor loopt op die stroom.
Een condensator slaat rechtstreeks lading (in de vorm van een overschot en een tekort aan elektronen) op. Een condensator bestaat uit twee (vaak opgerolde) platen, waarbij de ene plaat een positieve en de andere plaat een negatieve lading krijgt.

Het voordeel van condensatoren is duidelijk. De ionen, geladen moleculen, hoeven zich niet dwars door het stroperige water heen te worstelen zoals in een batterij, wat veel energie kost. In plaats hiervan stromen de elektronen rechtstreeks vanuit hun opslagplaats door de motor. Daardoor zijn condensatoren veel sneller en zuiniger dan batterijen. Een condensator kan, afhankelijk van de grootte, in fracties van seconden tot enkele seconden opgeladen worden. Hoe groter de oppervlakte van de platen en hoe dichter ze bij elkaar liggen, hoe meer lading ze op kunnen slaan.

Ultracondensator
Ideaal is dus een condensator met zeer veel laagjes van elk een atoom dik, bijvoorbeeld grafeen(1), die elk gescheiden worden door een isolerend laagje van een atoom dik. Een gram grafeen heeft een oppervlak van meer dan 2600 vierkante meter(2), een half voetbalveld. Geen wonder dat uit experimenten blijkt dat er zelfs in een enkele gram respectabele hoeveelheden energie opgeslagen kunnen worden. Dit is ongeveer wat er in een ultracondensator gebeurt. Einde 2010 stond het wereldrecord energieopslag op ongeveer 0,136 kWh per kilo(3), vergelijkbaar met een nikkel-hydride batterij. In theorie kan de capaciteit van grafeen worden opgekrikt tot 550 F/g, omgerekend is dat meer dan een halve kilowattuur per kilo, veel meer dan zelfs de beste batterij. Maar dan wel in slechts twee minuten opgeladen.

Directeur Huang van het start-up bedrijfje Nanotune, dat een andere techniek hanteert, stelt uiteindelijk een vergelijkbare capaciteit te kunnen halen(4). Zou het uiteindelijk mogelijk worden meerdere kilowattuur in een kilogram condensator op te slaan voor een betaalbare prijs (de richtlijn is 250 dollar per kilowattuur), dan wordt de effectieve energiedichtheid van benzine overtroffen. Het is dan definitief over en uit voor de olieindustrie.

Bronnen
1. Vivekchand et al., Graphene-based electrochemical supercapacitors, J. Chem. Sci., Vol. 120, No. 1, January 2008
2. Meryl D. Stoller et al, Graphene-Based Ultracapacitors, Nano Letters 2008, Vol. 8, No. 10
3. Liu et al., Graphene-Based Supercapacitor with an Ultrahigh Energy Density, Nano Letters 2010
4. Ultracapacitors to Boost the Range of Electric Cars, MIT Tecynology Review 2011