Lithiumdoorbraak: 3x zoveel capaciteit?

Share Button

Om benzineauto’s te vervangen moeten batterijen drie keer zo goed worden als nu. Een team onderzoekers van Stanford lijkt precies dat voor elkaar te hebben gekregen. Door zwavel in te pakken hebben ze dit weerbarstige opslagmateriaal eindelijk getemd, zo lijkt het.

Lithium: goed, maar niet perfect
Lithiumaccu’s zijn alomtegenwoordig. Dat is niet voor niets. Het zeer lichte metaal – lithium blijft op water drijven, even afgezien van de steekvlam – kent één van de hoogste energiedichtheden zoals bekend. Geen worden dus dat lithiumaccu’s zich in vrijwel alle telefoons, mp3-spelers en laptops bevinden. Helaas zijn lithiumbatterijen niet in staat om de volgende generatie elektrische auto’s voort te stuwen. Daarvoor is hun energieinhoud domweg te klein. Auto’s als de Tesla Roadster moeten werkelijk monsterachtige hoeveelheden lithiumaccu’s meezeulen om nog een beetje behoorlijke radius te hebben.

Kathodes zijn bottleneck voor lithium batterijen

Zo wordt de lithium-zwavel batterij gefabriceerd. De techniek is ingewikkeld, maar belooft drie keer zo efficiënte batterijen. En dus elektrisch vervoer.

Zo wordt de lithium-zwavel batterij gefabriceerd. De techniek is ingewikkeld, maar belooft drie keer zo efficiënte batterijen. En dus elektrisch vervoer.

Het probleem hierbij zit hem in de kathodes van de batterijen. Kathode is een technisch woord voor de negatieve pool, de plek dus waar elektronen zich ophopen. Anodes (de positieve polen) in lithiumbatterijen hebben indrukwekkende opslagcapaciteiten: 370 mAh per gram voor grafiet of zelfs 4200 Ah per gram voor silicium. Ter vergelijking: een AA batterijtje heeft 2,4 ampere-uur. De bottleneck is de kathode. De opslagcapaciteit van kathodes is vergeleken hiermee afgrijselijk slecht: 170 mAh/g for LiFePO4 en 150mAh/g voor gelaagde oxides. De ladingen moeten elkaar in evenwicht houden, dus betekent dat dat de kathodes de maximale capaciteit van batterijen beperken.

Zwavel: ideale kandidaat, maar grote nadelen
Het recept voor een betere lithium batterij is dus simpel: werk aan een beter kathodemateriaal terwijl de overige eigenschappen van de batterij, zoals energieefficiëntie en duurzaamheid bij opladen, behouden blijven. Hailiang Wang en zijn collega’s aan de Californische Stanford Universiteit zeggen dat ze dit doel hebben bereikt door zwavel als kathodemateriaal te gebruiken. Zwavel heeft een uitstekende energiedichtheid: in theorie 1672 mAh/g. Helaas zitten er aan zwavel een aantal nadelen. Onder meer dat zwavel een slechte geleider is, waardoor veel energieverlies door weerstand ontstaat. Ook is zwavel een nogal weerbarstig materiaal: polysulfides lossen op en wassen weg in veel elektrolyten en zwavel zelf heeft de neiging tijdens de ontlading uit te zetten, waardoor het verkruimelt.

Nano-engineering lost zwavelprobleem op
Wang en collega’s melden dat ze grotendeels deze problemen hebben overwonnen door een paar slimme nanotechnische trucs toe te passen om de performance te verbeteren. Hun truc is om zwaveldeeltjes kleiner dan een duizendste millimeter te maken en deze in het plestic PEG (polyethyleenglycol) in te pakken. Hierdoor worden de polysulfiden vastgehouden en kunnen ze niet weglekken. De anode bestaat uit silicium.

Dat is nog niet alles. De ingepakte zwaveldeeltjes worden in een grafeen-kooi opgesloten. De interactie tussen de koolstofatomen in het grafeen en zwavel maakt de deeltjes elektrisch geleidend en ondersteunt ook de deeltjes als ze zwellen en krimpen gedurende elke laadcyclus. Het resultaat is een kathode met een capaciteit van zeshonderd mAh/g die het honderd laadcycli volhoudt. Dat betekent dus meer dan een verdriedubbeling van de energiedichtheid.

Drie keer zoveel energie uit een batterij
Zeer indrukwekkend. Dat zou de actieradius van elektrische auto’s in één klap verdrievoudigen van 200 km naar 600 km. De voordelen zijn denk ik overduidelijk. Er is nog één probleem waar Wang en de zijnen mee worstelen: de capaciteit daalt in die 100 ontlaadcycli met 15%.  Ze hopen dit te verbeteren. De volgende stap is een werkend prototype van deze batterij te bouwen. Dit zou wel eens de doorbraak kunnen zijn waar we allemaal op hopen. Lukt dit Wang en zijn team, dan kunnen de oliesjeiks maar beter heel snel flink wat zonnepanelen in hun woestijn neerzetten, of een eerlijk vak leren. Dan is het namelijk definitief einde oefening voor olieslurpende auto’s.

Bronnen
Wang et al., Graphene-Wrapped Sulfur Particles as a Rechargeable Lithium-Sulfur-Battery Cathode Material with High Capacity and Cycling Stability, arxiv.org (2011)
Sulphur Breakthrough Significantly Boosts Lithium Battery Capacity ,MIT Technology Review Arxiv Blog (2011)

Share Button

Germen

Hoofdredacteur en analist (Visionair.nl) Expertise: biologische productiesystemen (master), natuurkunde (gedeeltelijek bachelor), informatica

Dit vind je misschien ook interessant:

7 reacties

  1. adenis schreef:

    en de toekomst is zo weer een dag dichterbij. maar 100x opladen is best wel weinig. dat komt neer op radius van 600km x 100 = 60.000km. dat zou betekenen dat ik ieder jaar me accu’s kan gaan vervangen (als dit niet vaker is).

  2. Joel schreef:

    Het is simpel: de olie mannen kopen Wang en zijn team om/op.
    Zo is het altijd al gegaan ;-)
    En de batterij komt er niet.
    voila!

  3. Picobyte schreef:

    Leuk dat de batterijen beter worden maar zolang de stroom nog uit gas/olie/kolen/kernenergie komt is er voor oliestaatjes nog geen vuiltje aan de lucht.

  4. Julie schreef:

    Het is grappig dat Lithium in het menselijk lichaam een tegenovergesteld effect heeft:
    http://www.e-psychiater.nl/html/medicijnen/lithium.php

  5. Hans schreef:

    Ook hier rijst weer de vraag: hoeveel extra energie kost het om deze nano-batterijen te maken?

  6. Frank schreef:

    @Picobyte,

    Ja ja, dat kennen we inmiddels wel.
    Maar ook op het gebied van energie-produktie staat de tijd niet stil.
    En wat het omkopen van onderzoekers betreft: supermacht Amerika en opkomende grootmachten als China, India en Brazzilie hebben er alle belang bij om niet afhankelijk te zijn van landen waar een voor een islamo-fascistische regimes aan de macht gaan komen.
    Dus energie-onafhakelijkheid is heel wat rendabeler dan steekpenningen aannemen.
    Wacht de komende 10 jar maar af.
    De decdente oliesjeiks genieten nog maar even van hun exorbitante rijkdom en kopen nog maar weer een Rolls Royce in iedere kleur in de brochure, over 10-20 jaar is het voorbij.

Geef een reactie

Advertisment ad adsense adlogger