Doorbraak elektrische auto: hoge-capaciteit energieopslag opgeladen in enkele minuten

Share Button

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

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.

Bronnen
Bor Z. Jang, et al. “Graphene Surface-Enabled Lithium-Ion Exchanging Cells: Next-Generation High-Power Energy Storage Devices.” Nano Letters (2011)
New energy storage device could recharge electric vehicles in minutes, physorg (2011)

Share Button

Germen

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

Dit vind je misschien ook interessant:

15 reacties

  1. Guido Herpen schreef:

    Ik lees al jaren wetenschappelijke websites en artikelen en daarin staan vaak “revolutioinaire” ontdekkingen. Echter in de praktijk, zelfs jaren later is er schijnbaar nog steeds niets terecht gekomen van deze “ontdekkingen”.
    Ik kan me niet voorstellen dat dat alleen maar te maken heeft met het verder ontwikkelen van deze ontdekkingen. Het lijkt erop dat bewezen revolutionaire ontdekkingen vaak zomaar verdwijnen?

    • Germen schreef:

      Dat is bij dit apparaat wel anders denk ik. Die lange laadtijd is HET grote nadeel van batterijen vs. benzine. Ook is de wetenschap hierachter behoorlijk solide. Het grote voordeel van dit ding is dat ionen maar heel kort hoeven te reizen. Daarom gaat er veel minder energie en tijd verloren.

  2. Rien van Nunen schreef:

    Veel ontwikkelingen worden tegengehouden door de grote olieconcerns die onder het mom”wij steken er geld in” veel invloed hebben.Voorbeeld:aardwarmte.
    Overigens zit er veel in de bewering dat er ontdekkingen”verdwijnen”,maar komt dat niet vaak door gebrek aan faciliteiten,fondsen en goede wil van instanties ??

    • Barry schreef:

      @ Rien van Nunen,

      Ik denk niet dat het komt door gebrek aan faciliteiten,fondsen en goede wil van instanties. Ik denk juist dat het komt door degenen die de fondsen verstrekken en de faciliteiten ter beschikking stellen. Degenen die de meeste aandelen hebben, hebben de meeste macht. Ze verstrekken de fondsen en zijn daarmee ook meteen eigenaar van het product. Degenen die de fondsen verstrekken zijn meestal een onderdeel van een overkoepelend orgaan die de uitvindingen opkoopt en ze daarmee van de markt afhoud. Nu wil ik niet meteen met vervelende complottheorieen aankomen, de maatschappij is soms gewoon niet toe aan technische hoogstandjes waardoor de productiekosten gewoon te hoog liggen ten opzichte van de in en verkoop.

      • Alfa schreef:

        Mee eens, soms moeten gedane investeringen er eerst uitkomen, voordat nieuwe, de oude produkten kunnen vervangen. Anders is er sprake van kapitaalvernietiging.

        • Barry schreef:

          Alfa. als je iets nuttigs zou willen doen voor visionair.nl dan kan je naar http://www.nujij.nl gaan, dan maak je daar een account aan en stem je op dagelijkse basis op de artikelen die News4U daar plaatst. Als je dan ook nog reacties achterlaat op de artikelen maak je visionair.nl helemaal blij. Op die manier kan je het verlies van lezers wat je had veroorzaakt weer goed maken. Het hoeven geen lange reacties te zijn, die kan je hier ook nog wel plaatsen.

        • Alfa schreef:

          Barry, wat is het verband tussen News4U en Visionair.nl? Ik zag zo op het eerste gezicht geen artikelen die betrekking hebben op Visionair.nl. Als er een nuttig verband is, dan werk ik daar aan mee. Maar dan wil ik geen ouwe koeien meer aantreffen, we zijn volwassenen.

        • Germen schreef:

          Alfa,
          News4u is Barry’s twitter feed en een belangrijke bijdrage aan het succes van visionair.nl.
          Barry is degene die doorgaans de artikelen op nujij plaatst. Gebeurd is gebeurd inderdaad. Alle hulp is welkom.

        • Alfa schreef:

          Oke, dan ga ik daar een account aanmaken. Overigens Germen, ik stuur je straks een mail, want ik heb nog een vraag over een heel ander onderwerp.

  3. Einstein01 schreef:

    @Alfa,

    Houd er wel rekening mee, dat er op Nujij veel relatieve éénrichting denkers zitten, die absoluut NIET buiten de gebaande paden durven te denken.
    Ze durven het misschien wel, maar kunnen het niet. Je zult vaak argumentloze opmerkingen krijgen, indien je iets visionairs plaatst.
    Doe Marcus Aurelius de groeten van me ;)

    • Alfa schreef:

      Mijn eerste reactie daar, wilde ik plaatsen op het stuk over antimaterie. Toen kreeg ik echter de verplichting om een link in te voeren, en daar wist ik geen raad mee. Op help werd ik ook niet wijzer, want wat is een url, ik ken die uitdrukking niet. Mijn ervaring met internet is bijzonder mager, pas sinds 2009 heb ik internet. Dus mijn reactie is niet geplaatst. Wel buitengewoon interessante video.

      • Barry schreef:

        @Alfa,

        je gaat naar nuij.nl, daar klik je op registreer. Vervolgens ga je je registreren. Daarna log je in met je inlogcode. Je hoeft geen berichten te plaatsen onder het kopje: Voeg een bericht toe. Nadat je hebt ingelogd krijg je de mogelijkheid om reacties te plaatsen onder artikelen.

        Als je een reactie toevoegd en je wil het onderbouwen met een wikipedia artikel of een ander artikel dan kan je een webadres toevoegen. Dat is een URL. Dit is een voorbeeld van een URL: http://www.visionair.nl

        Als je wil kijken welke artikelen er zijn geplaatst door News4U dan ga je naar het searchvenster van nujij.nl, tikt daar News4U in, dan krijg je news4U te zien boven de woorden 350 berichten geplaatst (dat veranderd natuurlijk voordurend in een hoger getal). Je klikt daarop en vervolgens krijg je de laatste berichten te zien die zijn geplaatst.

        Zoals einstein01 ook al zei is het beter voor je om korte reacties daar te plaatsen omdat het merendeel van het publiek van nujij.nl niet op dezelfde manier denkt als de mensen die rechtstreeks naar visionair.nl komen. Naast elk artikel staat het woord STEM en daar kan je op klikken als je vindt dat het een goed artikel is.

        Plaats in je goede bedoelingen aub geen artikelen van visionair.nl, al sje het wel doet dan help je daar visionair.nl niet mee, ik heb meer dan 4000 lezers die interesse hebben in visionair.nl, de auteurs en hun artikelen en niet te vergeten de mensen die commentaren leveren op artikelen. Alvast bedankt.

        • Alfa schreef:

          @Barry.

          Je hebt gelijk, het werkt zoals je zei. Ik ga er nu verder kijken, en gewoon de artikelen waarderen. Opmerkingen daar maken doe ik nog niet, eerst eens zien wat voor figuren ik daar aantref,haha.

  4. Wim schreef:

    Normaal gesproken reageer ik niet op fora, vandaag wil ik daar wel een uitzondering op maken. Ben al jaren geïnteresseerd in ontwikkeling van technische uitvindingen die onze maatschappij van een fundamentele vooruitgang kan bieden. Bovengenoemde vinding is er zo’n een. Echter, ben ook redelijk sceptisch aangaande het daadwerkelijk gebruik ervan. Al veel berichten gelezen en bekeken (youtube) van allerlei mooie apparaten, maar nog weinig echt ‘in actie’ gezien.
    Olie uit afval; magneet-motor; hoog-rendement zonnepanelen; etc. allemaal mooie vindingen echter kan het als consument nog steeds niet aanschaffen…
    Het kopen een elektrische auto (Nissan leave..) is eigenlijk voor een consument niet mogelijk, leasen daarentegen weer wel. Heb je als consument meteen weer een afhankelijkheid.
    Er wordt vergeten dat ook onze beleidmakers hierin een rol te spelen hebben. Als het voor de consument bereikbaar wordt gemaakt zullen de kansen voor echte revolutionaire techniek en technieken pas op gang komen..
    Kortom, de wil van de politiek; de bereikbaarheid van de consument; en het werkelijke voordeel voor die consument moeten aanwezig zijn om dit soort vindingen een succes te laten worden..

  5. Andre schreef:

    en deze lithium “batterijen”hebben een levensduur van ongeveer 500 keer opladen…..tell maar uit, ongeveer 1 jaar dus,…en ze kosten een lieve duit!
    Ja het kost energie om lithium uit zeewater te halen…goh.
    gelukkig zit er nog voor duizenden jaren olie en gas in de bodem…veel voordeliger handiger en beter voor millieu ook.!

Geef een reactie

Advertisment ad adsense adlogger