Lithium-ionbatterijen, nu erg prijzig, kunnen voor de helft van de kosten worden gemaakt. Daarmee zouden elektrische auto’s rond 2020 definitief kunnen doorbreken. Dat melden ontwikkelaars van 24M, een spinoff van de Amerikaanse technische universiteit MIT.
Lithium is het lichtste metaal, lichter dan water zelfs en ook erg energiedicht. Ideaal voor batterijen dus, en daar wordt het ook veel voor gebruikt. Helaas is lithium vrij zeldzaam, omdat vrijwel alle lithium in het heelal tijdens de oerknal is ontstaan, en sindsdien het metaal even snel wordt geproduceerd als afgebroken in sterren. De totale winbare lithiumvoorraad wordt geschat op 13,5 miljard kg (bij een lithiumprijs van 5 dollar per kilo) op land. Dit is 2 kg per mens. Verder zijn er 200 miljard kg opgelost in zeewater (bijna 30 kg per mens), die zonder goedkope energie veel duurder zijn om te winnen. Ruim voldoende om elke wereldbewoner aan een elektrische auto te helpen. In principe heb je aan 80 gram lithium nodig om een kilowattuur energie op te slaan. Wat lithiumbatterijen zo zwaar maakt, is de ombouw van andere, logge atomen.
De batterijen zijn erg flexibel en kunnen dus in bijvoorbeeld dekens worden verwerkt. Bron: 24M
Op dit moment zijn lithiumbatterijen relatief duur. Een kilowattuur opslaan kost je al gauw 200 euro. Een kilowattuur is voldoende om ongeveer 3-4 kilometer mee te kunnen rijden. Wil je 300 km kunnen rijden voor je bij moet laden, dan moet je dus 200 x 300/3 = 20.000 euro besteden aan batterijen. De reden dat elektrische auto’s zo duur zijn.
Lukt het om deze prijs te halveren tot 100 euro, dan worden elektrische auto’s ongeveer even duur als benzineauto’s en zullen automobilisten massaal overstappen op de elektrische auto. Elektriciteit is per km namelijk voordeliger dan benzine, vooral als je veel moet remmen. Dan kan de elektrische auto namelijk de energie terugwinnen. Vooral natuurlijk, als je ’s zomers je autootje met je eigen zonnepaneel op kan laden….
De nieuwe lithium-ion batterij van 24M Technologies is veel compacter dan traditionele batterijen en kost daarom maar de helft per kWh.
De batterijen zijn ook veel flexibeler en veiliger dan traditionele batterijen.
Er zijn al tienduizend exemplaren van het nieuwe model uitgeleverd aan grote elektriciteitsmaatschappijen in Zuid-Oost Azië, die de batterijen nu op grote schaal uittesten. Chiang verwacht daarom dat rond 2020 de productiekosten onder de honderd dollar per kWh opslag komen te liggen. Waarmee hij zowel de grote industriële afnemers, als de consumenten in de vorm van goedkope elektrische autoaccu’s zou kunnen bedienen.
Chiangs plannetje zou wel eens kunnen slagen, wat uitermate goed nieuws voor het klimaat en de mensheid zou betekenen.
Een serie artikelen over de verschillende elementen. De legoblokjes waarmee wijzelf, onze aarde en de materie van het universum is opgebouwd hebben allemaal hun eigen specifieke eigenschappen. In deze serie gaan we stap voor stap langs elk element en kijken we wat voor zinvolle zaken de wikipedia erover te zeggen heeft, met daarnaast een interessant filmpje van de universteit van Nottingham waarmee verschillende experimenten met het betreffende element worden gedaan.
Vandaag nummer 3 van de 118 elementen, Lithium (Li).
Klik hierop om naar de wikipedia versie te gaan waarbij je gemakkelijk naar de verschillende elementen kunt doorklikken
Waar kan lithium worden gevonden?
Het meeste lithium die in het heelal wordt aangetroffen is volgens de tegenwoordige inzichten ontstaan tijdens de Big Bang, hoewel ook jonge sterren een beetje lithium maken. Lithium is extreem reactief door het ene ‘extra’ elektron en komt op aarde dan ook alleen in de vorm van lithiumzouten voor. Omdat lithium beter in water oplost dan het zwaardere natrium, wordt in een pekeloplossing onder een zoutvlakte het lithium geconcentreerd in de pekel onder de zoutlaag: de reden waarom veel lithium wordt gevonden onder bijvoorbeeld het opgedroogde zoutmeer Salar del Uyuni in Bolivia. In oudere sterren komt lithium veel minder voor dan in aardachtige planeten, gaswolken en gasreuzen omdat het lithium in de kern wordt afgebroken: in tegenstelling tot helium is de kern van lithium veel minder stabiel.
Eigenschappen van lithium
Lithium is het lichtst bekende metaal en kan met een dichtheid van 0,53 maal die van water zelfs op water drijven. Als alkalimetaal is het zeer reactief: lithium reageert heftig met water en oxideert in de lucht spontaan. De meest voorkomende lithiumisotoop, Li-7 (92,5%), heeft in de kern 3 protonen en 4 neutronen. Het iets lichtere Li-6 (7,5%) een gelijk aantal protonen en neutronen.
Toepassingen
Lithiumcarbonaat en lithiumcitraat worden als medicijn gebruikt bij de onderdrukking van manie en depressie. In de volksmond worden deze medicijnen slechts aangeduid met de naam van de werkzame component (het Li+-ion) Lithium.
Lithium-6 en Li-7 worden veel gebruikt in waterstofbommen. Als lithium-6 wordt bestraald met neutronen, ontstaat het radioactieve tritium (waterstof-3), dat de explosie in waterstofbommen veel zwaarder maakt. Dit maakt lithium ook interessant voor kernfusie.
Lithium wordt toegepast in oplossingen voor warmteuitwisseling. Het heeft een grote specifieke warmte.
Het Li+ ion is bijzonder klein. Er zijn enkele vaste stoffen met een gelaagde structuur waar het tussen de lagen kan indringen. Deze interkalaten zijn interessante materialen voor droge batterijen.
Lithium heeft een hoge elektrochemische potentiaal. Het metaal wordt gebruikt in de organische synthese.
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
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.
Onderzoekers hebben een apparaat ontwikkeld dat geen batterij of ultracondensator is, maar wel de voordelen van beide heeft. Dat wil zeggen: evenveel energieopslag als een batterij en even snel op te laden als een ultracondensator. Het nieuwe apparaat werkt door grote hoeveelheden lithiumionen snel tussen elektroden heen en weer te pompen. De snelle oplaadtijd neemt een belangrijke barrière weg voor de komst van goedkope elektrische auto’s. Ook kunnen hiermee de beruchte piekvermogens van windmolens en andere alternatieve energievormen worden opgevangen.
Nieuw energieopslagsysteem laadt auto's in minuten op
Revolutionaire uitvinding
De onderzoekers noemen hun uitvinding “lithium-ion uitwisselcellen met grafeen oppervlakte”, of kortweg surface-mediated cells (SMC’s). Hoewel de apparaten nog lang niet uitontwikkeld zijn – zo zijn de materialen nog niet optimaal – presteren ze nu al beter dan lithium ion-accu’s en supercondensatoren. De nieuwe energieopslag kan 100 000 W per kg cel leveren, wat honderd maal hoger is dan wat een lithium-ion batterij kan leveren en zelfs tien keer hoger dan supercondensators, tot nu toe de recordhouder. Om een indruk te geven: 100 000 watt is evenveel vermogen als 500 gemiddelde mensen kunnen leveren. Ook slaan de nieuwe cellen 0,16 kWh per kg op, vergelijkbaar met lithiumbatterijen en dertig maal zoveel als ultracondensatoren.
Volgens Bor Z. Jang, medeoprichter van Nanotek, kunnen met de huidige SMC en lithium ion-batterijen elektrisch voertuigen even ver rijden. Net als lithiumbatterijen kunnen de SMC’s nog verder worden verbeterd (waardoor ze meer energie op kunnen slaan dan nu). Hierbij houden ze echter hun beslissende voordeel: ze kunnen in minder dan een minuut worden opgeladen, waar een lithiumbatterij in elektrische voertuigen uren opladen vergt.
Tot nu toe: snel leeg versus traag opladen
Tot nu toe moesten autobouwers kiezen tussen twee kwaden. Ultracondensatoren slaan hun energie op als elektrische lading. Ze kunnen heel snel opgeladen worden, maar hun capaciteit is maar laag. Batterijen, aan de andere kant, kunnen veel energie per kilogram opslaan maar kunnen alleen in lange tijd opgeladen worden. Het gevolg is dat voor elektrische rijders even onderweg tanken er niet inzit. Doorgaans hangen de auto’s de hele nacht aan het stopcontact. Ook kunnen batterijen tien keer zo weinig piekvermogen leveren als condensatoren. Overigens is dit nog vergelijkbaar met motoren op fossiele brandstof. Met hun fundamenteel nieuwe concept maken Jang en zijn collega’s al deze problemen een non-issue.
Het geheim van de SMC
Ook bij dit apparaat is (zoals bij wel meer technische doorbraken) grafeen verantwoordelijk. Beide elektroden bestaan uit atoomdikke laagjes grafeen. Daardoor kennen ze een werkelijk gigantische oppervlakte. Bij het maken van de cel plaatsen de onderzoekers vast lithiummetaal aan de anode (positieve elektrode; pluspool). Gedurende de eerste ontlading wordt het lithium geioniseerd, waardoor er veel meer lithiumionen vrijkomen dan in een gewone lithiumbatterij. Dit verklaart het veel hogere vermogen en de snelle laadtijd. Als de batterij wordt gebruikt, migreren de ionen door een vloeibare elektrolyt naar de kathode (minpool), waar de ionen de poriën binnendringen en zich op het enorme grafeenoppervlak in de kathode hechten. Gedurende het weer opladen beweegt de zee van lithiumionen weer snel van kathode naar anode. Zie afbeelding rechts. Elk lithiumion hoeft maar heel kort te reizen, in de orde van duizendsten van millimeters, waardoor de SMC extreem snel wordt opgeladen.
Omdat de ionen worden uitgewisseld tussen de poreuze oppervlakten van de elektroden en niet diep in de elektrode moeten reizen, zoals in batterijen, is het tijdvretende proces waarbij de lithiumionen in de elektroden moeten worden afgezet, niet meer nodig. Dit proces maakt dat het opladen van batterijen zo lang duurt.
Nog meer goed nieuws is dat het apparaat nu al goed presteert terwijl het nog steeds niet is geoptimaliseerd. Verwacht dus een veel hogere capaciteit in de komende jaren. Ook kan deze energieopslag heel vaak achter elkaar worden opgeladen. Na duizend keer opladen, dat staat ongeveer gelijk aan twintig jaar autogebruik als mensen een keer per week tanken, is de capaciteit nog 95%. Zelfs na tweeduizend keer opladen was de capaciteit niet ernstig verminderd.
Alles klaar voor de elektrische revolutie
Jang verwacht geen grote hordes die nog genomen moeten worden om deze vorm van energieopslag op grote schaal uit te rollen. Weliswaar is grafeen nog steeds peperduur, maar de productie wordt nu steeds grootschaliger gemaakt. De productiekosten van grafeen zullen de komende drie jaren enorme dalen, aldus Jang. Wel zal er vermoedelijk een enorm lithiumtekort ontstaan. Gelukkig zit er in zeewater heel veel lithium, dat met voldoende energie hier uit te halen is. Zoals zo veel dingen komt ook dit dus neer op een energieprobleem. En dat is oplosbaar. Kortom: dumpen, die olieaandelen.
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.
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.
Lithium is schaars en duur. Veel mensen maken zich zorgen of er wel genoeg lithium is voor alle elektrische auto’s. Er is echter een goede vervanger: zink. Het metaal zink wordt al veel gebruikt in de bouw en industrie. Er is honderd keer zoveel zink beschikbaar als lithium. Zink-luchtbatterijen hebben ook een hogere energiedichtheid dan lithiumbatterijen. Ook bevat zeewater onafzienbare hoeveelheden lithium. Wordt dit de doorbraak van elektrisch vervoer?
Het vroegere eiland Incahuasi ligt in het midden van de unieke zoutvlakte Salar de Uyuni. Het volgende slachtoffer van de menselijke kortzichtigheid en fantasieloosheid? Niet als het aan de Bolivianen ligt...
Lithium uit ontziltingsfabrieken
De landen in de Sahara beschikken over weinig water, maar zeer veel zonlicht. Ideale omstandigheden dus voor ontziltingsfabrieken die als bijproduct enorme hoeveelheden pekel leveren. Deze pekel bevat hogere concentraties lithium, waardoor winning van lithium uit zeewater economisch toch haalbaar wordt. In feite wordt het natuurlijke proces dat er voor zorgde dat de Salar de Ayuni zo veel lithium concentreerde, hier herhaald. Per liter zeewater komt 0,17 ppm lithium voor. Als de pekel die vrijkomt uit het persen van zoetwater uit zeewater (fabrieken op zonne-energie kunnen dat met een efficiëntie van twee kilowattuur per kubieke meter) verder wordt ingedampt, wordt dit veel meer. Ook is lithiumchloride drie keer oplosbaarder dan de chlorides van natrium en magnesium, de belangrijkste andere metaalionen in zeewater, dus de pekel die overblijft als je flink indampt is erg rijk aan lithium. Kortom: het zou wel eens een slim idee kunnen zijn een lithiumfabriek aan een ontziltingsinstallatie te koppelen.
Het Zwitserse bedrijf ReVolt beweert een werkende oplaadbare zinkbatterij te hebben ontwikkeld met meer vermogen dan een lithiumbatterij.
Zink: de oplossing?
Al tientallen jaren is bekend dat zink-lucht batterijen een zeer hoge energiedichtheid per liter kennen, om precies te zijn zelfs bijna het dubbele van lithium-ion batterijen. De reden: er komt elektriciteit vrij door de reactie van zink met zuurstof uit de lucht, die dus niet meegenomen hoeft te worden. In theorie kan de energiedichtheid met maximaal 10 kWh per liter zelfs oplopen tot die van benzine. Uiteraard is hier uitgebreid onderzoek naar gedaan, maar technische problemen hebben de toepassing tot nu toe beperkt tot wegwerpknoopcellen. Zink kent niet de milieuproblemen die met bijvoorbeeld kwik, lood en cadmium geassocieerd worden, integendeel: zink is een belangrijk sporenelement voor onder meer mensen.Energiebottleneck is de inefficiënte manier waarop zinkbatterijen weer ‘opgeladen’ moeten worden: de zuurstof moet uit het zinkoxide verwijderd worden.
Daartegenover staat dat overheden vermoedelijk erg blij zullen zijn met een zinkgebaseerd batterijsysteem. Illegaal opladen om zo accijns te ontduiken kan niet. Zink-tankstations zullen vermoedelijk bestaan uit een soort parkeervak waar auto’s op gaan staan. Het “lege” pak wordt uit de auto gehesen en vervangen door een vers pak. Althans: een dergelijk design is ontwikkeld bij de Franse autofabrikant Renault, is nu naar buiten gekomen aan de hand van een industrieel spionageschandaal waar China bij betrokken is.
Ook beweert het Zwitserse bedrijf ReVolt er in te zijn geslaagd een herlaadbare zink-lucht batterij te ontwikkelen. Andere experimentele zink-luchtbatterijen kunnen reeds tweehonderd keer herladen worden. Gezien de in theorie enorme energiedichtheid kan dit wel eens de doorbraak zijn die betaalbare elektrische auto’s mogelijk maakt – de eerder genoemde Tesla Roadster kost rond de ton. Kortom: het zogenaamde peak lithium is een schijnprobleem. Moeder Aarde biedt voldoende gulle gaven om al haar kinderen een menswaardig bestaan te geven. Zolang mensen zich tenminste ook als waardige mensen gedragen – dat wil zeggen hun geestelijke gaven en creativiteit tot het maximum benutten in plaats van deze te verspillen aan wapentuig, fatalisme en religieus dogmatisme.
