accu

Lithium, het lichtste vaste element, is een veelbelovend materiaal voor energieopslag. Bron: Wikipedia

Lithium-luchtbatterij belooft tien keer zo grote opslagcapaciteit

De doorbraak van elektrische  auto’s wordt geremd door slechts één barrière: het ontbreken van een lichte, compacte en betaalbare accu. De lithium-lucht accu, waar we al eerder over schreven, belooft minimaal een tien keer zo grote capaciteit voor hetzelfde gewicht. Wordt dit de doorbraak waar we al jaren op wachten?

Fata morgana
Lithium-lucht batterijen zijn, vergeleken met de nu in zwang zijnde lithium-ion batterijen, potentieel in staat de capaciteit enorm te verhogen. Dit, omdat lithium-luchtbatterijen gebruik maken van de zuurstof uit de lucht in plaats van een zwaar molecuul dat de elektronen van het lithium opneemt. Lithium wordt dan omgezet in lithiumperoxide, Li2O2. Tot zover de theorie. Het gewichtsrendement van een dergelijke batterij is enorm: lithium, het lichtste metaal dat onder aardse omstandigheden bestaat, heeft een atoommassa van 6, dus absorbeert hier per drie atomaire massa-eenheden een elektron. Ter vergelijking: de welbekende “loodzware” lood-sulfaataccu uit auto’s met een verbrandingsmotor heeft daar rond de 150 atomaire massa-eenheden voor nodig, met bovendien een lagere bronspanning. De praktijk is heel wat weerbarstiger. Weliswaar is er vooruitgang geboekt bij de instroom van lucht in de batterij en de zuurstof ook werkelijk laten reageren met het lithium, maar er is een vervelend probleem: zuurstof reageert ook met de onderdelen van de batterij waarbij dat niet de bedoeling is.

Lithium, het lichtste vaste element, is een veelbelovend materiaal voor energieopslag. Bron: Wikipedia
Lithium, het lichtste vaste element, is een veelbelovend materiaal voor energieopslag. Bron: Wikipedia

Eindelijk lithium-luchtbatterij met lange levensduur?
Het gevolg is dat de lithium-luchtbatterij maar enkele keren opgeladen kan worden voordat deze de geest geeft. Nu hebben onderzoekers een materiaal gevonden dat niet met zuurstof reageert, waardoor de batterij ook meerdere keren opladen blijft functioneren.  Nog meer goed nieuws is dat de batterij in theorie meer dan tien maal zoveel energie kan opslaan als een lithium-ion batterij met dezelfde massa.Hierbij slaagden ze erin te voorkomen dat in het proces van omzetting van lithium in lithium peroxide, er een zuurstofradicaal ontstaat. Een radicaal is een incompleet molecuul met een niet-gebonden elektron en hierdoor chemisch extreem agressief. Dit radicaal tast de elektrolyt aan dat geladen ionen van de ene elektrode naar de andere transporteert. De vorming van het zuurstofradicaal is  onvermijdelijk, maar de gevoeligheid van de elektrolyt voor zuurstofradicalen kan worden vermeden.

Nauwelijks capaciteitsverlies na honderd keer opladen
De auteurs ontdekten een mengsel van een koolwaterstof  (tetraetheen-glycol dimethyl ether) en het lithiumzout LiCF3SO3 dat bestand bleek tegen het radicaal. Dit werkte goed op kamertemperatuur en, nog prettiger, het bleek de zuurstofreacties zo snel te doorlopen dat er nauwelijks tussenproducten te meten waren. LiCO3+, dat wordt gevormd als zuurstof met lithium en de koolstofelektrode reageert (een teken dat de elektrode wordt aangetast), werd niet aangetroffen, aldus de auteurs. In de proefopstelling bleek dat ook: na de honderdste keer opladen vond er nauwelijks capaciteitsverlies plaats vergeleken met de twintigste keer opladen. Voor een auto betekent dat al gauw een levensduur van minstens twee jaar. Ook bij verschillende lading bleek het materiaal goed te presteren.

Extreem hoge energiedichtheid
Hoewel het elektrodemateriaal niet altijd het zwaarste deel van de accu vormt, wat vergelijken moeilijk maakt, biedt dit toch de nodige perspectieven. Bij een hoge ontladingssnelheid is de accu volgens de auteurs in staat 13,5 kWh per kg elektrode op te slaan. Dat is meer chemische energie dan er in een liter benzine of diesel zit en, aangezien elektromotoren bijna 100% efficiënt zijn, betekent dat het bereik van een dergelijke auto meer dan tien maal groter zal zijn dan dat van een benzineauto. De auteurs zijn voorzichtiger en gaan uit van een factor tien lager, maar zelfs dan zou deze techniek bestaande batterijen, met een capaciteit van rond de 0,15 kWh per kg, verre overtreffen. Kortom: laten we hopen dat deze techniek deze beweringen waarmaakt.
Hiermee zou het peak-oil probleem geheel opgelost zijn – zonnepanelen zijn nu al goedkoop genoeg om aardolie als energiebron weg te concurreren.

Lees ook
Elektrische auto met meer bereik dan een benzineauto

Alleen het ontbreken van een goede betaalbare accu voorkomt dat elektrische auto's doorbreken. Daar gaat volgens IBM nu verandering in komen.

Elektrische auto met meer bereik dan een benzineauto

Eén van de grootste nadelen van een elektrisch voertuig is het gevaar dat de accu uitgeput raakt terwijl je aan het rijden bent. IBM beweert nu een fundamenteel probleem opgelost te hebben, waardoor een batterij met een bereik van maar liefst 800 km binnen bereik komt. Dit is meer dan het bereik van een benzineauto.

Korte levensduur remde doorbraak lithium-lucht batterij
Standaard elektrische voertuigen gebruiken een lithium-ion batterij, die veel ruimte in beslag nemen in ruil voor maar weinig kilometers. Alleen de allerbeste modellen overtreffen de 160 km rijafstand.

Alleen het ontbreken van een goede betaalbare accu voorkomt dat elektrische auto's doorbreken. Daar gaat volgens IBM nu verandering in komen.
Alleen het ontbreken van een goede betaalbare accu voorkomt dat elektrische auto's doorbreken. Daar gaat volgens IBM nu verandering in komen.

Een nieuw model, bekend als de lithium luchtcel is aantrekkelijker omdat de theoretische energiedichtheid maar liefst 1000 maal groter is dan die van het lithium-ion type, evenveel als een benzineauto. Lithium-luchtcellen hebben een positieve elektrode bestaande uit koolstof in plaats van zware metaaloxides, dus is veel lichter. Deze reageert met zuurstof uit de lucht, wat de energie levert. Het probleem is dat chemische instabiliteit hun levensduur beperkt, waardoor ze onpraktisch zijn om in auto’s te gebruiken. Aldus natuurkundige Winfried Wilcke van IBM’s Almaden lab in San Jose, Californië.

Supercomputer vindt elektrolyt die niet door zuurstof wordt aangetast
Wilcke bestudeerde daarom de elektrochemie van deze batterijen door middel van massaspectrometrie. Hij ontdekte de oorzaak voor de chemische instabiliteit. De zuurstof reageert niet alleen met de koolstofelektrode,  zoals bekend, maar ook met de elektrolytische transportvloeistof, die de ionen van de ene elektrode naar de andere transporteert. Dat is niet de bedoeling. Immers, als de zuurstof ook met de elektrolyt zelf reageert, raakt deze uiteindelijk uitgeput (de oorzaak voor de korte levensduur). Op dit vraagstuk lieten hij en zijn collega Alessandro Curioni van IBM’s onderzoekslab in het Zwitserse Zürich, de befaamde IBM supercomputer Blue Gene los om de reacties tot in het kleinste detail na te rekenen, zodat alternatieve elektrolyten gevonden konden worden. Hierbij werd uitgegaan van een kwantummodel van de betrokken atomen en moleculen.

Prototype in 2013; batterij op de markt in 2020
De zoektocht leverde resultaat op. Wilcke meldt nu een zeer veelbelovende component gevonden te hebben. Om begrijpelijke redenen houdt hij geheim om welk materiaal het gaat, maar volgens hem zijn er al verschillende onderzoeksprototypes gedemonstreerd. IBM stuurt Battery 500 aan, een Amerikaans samenwerkingsverband van vier Amerikaanse staatsonderzoeksinstellingen en commerciële instellingen. IBM hoopt een prototype op schaal gereed te hebben in 2013, terwijl de eerste commerciële batterijen rond 2020 op de markt zullen verschijnen.

Gemakkelijk zal dat niet worden. Zo moet er een methode worden bedacht om de batterij te beschermen tegen vochtige lucht. Lithium vliegt namelijk spontaan in brand als het in water terechtkomt.

Bron:
Air Battery to let electric cars outlast gas guzzlers, New Scientist (2012)