Nieuw materiaal belooft vervanging batterij

Share Button

De doorbraak van alternatieve energiebronnen en elektrisch rijden wordt op dit moment nog gehinderd door een hardnekkige bottleneck: energieopslag. Er is nog geen materiaal dat evenveel nuttige energie op kan slaan als een volle tank benzine. Dat lijkt nu te veranderen met de ontdekking van een supermateriaal door onderzoekers van de Australian National University.

Supercondensatoren als alternatief voor de accu
Er zijn, ruwweg gesproken, drie manieren om elektrische energie op te slaan. De eerste manier is de welbekende oplaadbare batterij of accu. Er vindt een chemische reactie plaats aan twee polen, die een overschot aan elektronen aan een pool versus een tekort aan elektronen aan de andere pool oplevert. Dit zorgt voor een elektrische stroom. Voordeel is dat er relatief veel energie opgeslagen kan worden per kilogram: de reden dat er accu’s in elektrische auto’s zitten. Nadeel is dat het opladen tergend lang duurt en er de nodige verliezen optreden, omdat de geladen ionen zich door de stroperige vloeistof moeten worstelen.

De tweede manier is om de energie in een magneetveld van een enorme elektrische spoel op te slaan. Hiervoor is een gigantische stroomsterkte nodig door een geleider die geen verliezen oplevert, met andere woorden een supergeleider. De resultaten van deze SMES, super conducting electric storage, zijn nog niet denderend, omdat de koeling van een supergeleider tot enkele tientallen kelvin energie vreet, de energiedichtheid maar klein is en supergeleidende materialen duur zijn.  Voordeel is echter dat het vermogen enorm snel, in fracties van seconden, opgenomen en afgegeven kan worden met weinig verliezen.

De derde methode is het opslaan van elektrische lading. Dit gebeurt door twee geleidende platen dicht bij elkaar te brengen en onder spanning te zetten. Er hopen zich nu elektronen op in de negatief geladen plaat en positief geladen ‘gaten’ (ontbrekende elektronen) aan de positief geladen platen. Hoe groter de oppervlakte van de platen, hoe dichter de platen op elkaar staan en hoe hoger de spanning, hoe meer energie ze opslaan. Condensatoren, zoals deze apparaatjes met ingebouwde geladen platen heten, zijn een onmisbaar onderdeel van de meeste elektrische schakelingen. De hierin opgeslagen elektrische energie is miniem, maar met de ontwikkeling van supercondensatoren ontwikkelen ze zich als een serieus alternatief voor batterijen: de beste supercondensatoren presteren op circa 10% van de energiedichtheid van batterijen. Net als SMES laden en ontladen condensatoren snel (fracties van seconden) met weinig verliezen. Wel hebben sommige typen condensatoren moeite hun lading vast te houden, omdat dicht bij elkaar gelegen platen makkelijk kortsluiten.

Op te laden in enkele seconden en nauwelijks verliezen. Geen wonder dat de interesse in supercondensatoren snel groeit. Bron: Samwha Electronics

Op te laden in enkele seconden en nauwelijks verliezen. Geen wonder dat de interesse in supercondensatoren snel groeit. Bron: Samwha Electronics

Hoe werkt de ideale condensator?
Om zo veel mogelijk energie op te slaan moet de condensator aan drie eisen voldoen.
– De platen moeten zo dicht mogelijk bij elkaar liggen; de capaciteit is namelijk omgekeerd evenredig met de afstand tussen de platen. In de praktijk wordt kwantumtunneling en doorslag (kortsluiting) een probleem bij te kleine afstanden. Mede daarom is de minimale afstand tussen platen enkele atoomdiktes.
– De platen moeten een zo groot mogelijke oppervlakte hebben per gram. De gedachten gaan dan als vanzelf naar grafeen, het revolutionaire materiaal van een atoomlaag dikte. Een alternatief bestaat uit “platen” die in feite in elkaar vervlochten boomachtige netwerken zijn.
– De platen moeten lekvrij zijn: er moet geen lekken of kortsluiting plaatsvinden.
– De dielektrische constante moet hoog zijn. Dit betekent dat er voor een gegeven plaatafstand, plaatgrootte en spanning veel lading opgeslagen wordt. De dielectrische constante voor lucht is bijvoorbeeld 1.
– De condensator moet tolerant zijn binnen een groot temperatuurbereik.

Hoe krijgt dit nieuwe materiaal zo een grote capaciteit?
Het ontdekte materiaal, op basis van het overvloedig beschikbare titaniumoxide, werkt op basis van moleculaire defecte dipolen, m.a.w. structuren op atoomschaal. Een dipool is een combinatie van een positieve en negatieve lading tegenover elkaar. Hierdoor krijgt het materiaal een extreem grote dielektrische constante die vier ordes van grootte (10^4, rond de factor tienduizend)  of meer boven normale waarden ligt. Dit betekent dat het materiaal meer dan tienduizend keer zoveel energie kan opslaan als een ‘normale’ condensator. Helaas zijn er uit het artikel of begeleidende documenten geen schattingen bekend van en energiedichtheden, maar als we uit gaan van enkele elektronvolts per atoomgroep lijkt 1-10 MJ per kg een redelijke schatting. Dit ligt in de buurt van de energiedichtheid van de allerbeste batterijen, wat het een interessant materiaal maakt voor energieopslag. Omdat het metaal titanium een van de meest voorkomende atoomelementen op aarde is, (0,63% van alle materie is titanium) zou dit wel eens de doorbraak kunnen zijn waar we allen op wachten.

Electron-pinned defect-dipoles for high-performance colossal permittivity materials, Nature Materials (2013) doi:10.1038/nmat3691Read more at: http://phys.org/news/2013-07-material-big-energy.html#jCp
Share Button

Germen

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

Dit vind je misschien ook interessant:

11 reacties

  1. Douwe schreef:

    Hoe sneller dit kan worden uitgerold hoe beter. Dan kunnen we handig overstappen op volledig hernieuwbare energie en ook kan ons transport van de olie afkicken. 

  2. piet schreef:

    huh wat waar hoe.. 3 vormen van energieopslag?!

  3. piet schreef:

    om maar enkele zeer nuttige voorbeelden te noemen,
    Het vliegwiel.. energieopslag efficientie van ruim > 85%
    Als het aan mij ligt krijgt ieder huis zonnepanelen op het dak en krijgt iedere wijk een vliegwielcentrale die de overenergie van overdag opslaat.
    (voordelen zitten oa in het afwezige verlies energietransport energieonafhankelijkheid etc.)
    Een vliegwiel kan massive hoeveelheden energie opslaan, maar een techniek die de laatste 10 jaar sterk is ontwikkeld, is de techniek van luchttanks. Die moeten extreme druk aan kunnen, en bij het vrijlaten van deze lucht wordt de bebuizing extreem koud, desalniettemin zijn er nu autos die reiden op lucht met een naar ik meen 10 KW luchttank. Ruim toereikend als alternatief op accus voor mensen die niet aan het electriciteitsnet aangesloten willen of kunnen zijn met hun zonnepanelen.

    Maar er is vanalles te bedenken dat als energieopslag kan dienen.
    Een omhoog gehezen gewicht is energieopslag, een aangespannen veer, een volgelopen stuwmeer, een gerekt of gedraaid elastiekje, een omhoog gerolde steen, of juist een naast de steen gegraven gat..
    en zo kan ik nog wel even doorgaan :P

  4. piet schreef:

    ik denk trouwens dat deze caps misschien wel de hele consumentenmarkt niet zullen bereiken..
    dit zijn regelrechte bommen bij kortsluitingen… (stukje erger dan lithiumcellen)

  5. piet schreef:

    o nm.. dat zijn ultracaps en die zijn er eig al wel,
    als ze echter zo groot worden als normale caps zie ik het nog steeds als een risico.

  6. antares schreef:

    Op aarde zou opslag in supercondensatoren ideaal zijn, omdat ze bijna niet slijten en ook nog eens heel weinig wegen. In de ruimte kunnen supergeleidende koolstof circuits hetzelfde doen, ze hoeven niet gekoeld te worden en zijn ook heel licht, (weinig massa). In satellietbanen om de zon, kunnen ze zonder bijzondere technieken energie laden in de zonnewind. In banen rond de polen op satelliet hoogte, kan het verschijnsel poollicht (wordt veroorzaakt door zonnewind) zo opgevangen worden.
     
    Vliegwielconstructies en alle andere mechanische/chemische vormen van energieopslag slijten, wat ook geldt voor de mechanische opwekking van energie.

  7. antares schreef:

    Mijn adres was hier gewist, er sleutelde iemand aan mijn computer, dat merkte ik  eergisteren ook al.

  8. Robert schreef:

    Wat ik altijd zo jammer vind aan deze veelbelovende artikelen, is dat je er daarna vaak niets meer van hoort. Ik heb al veel vaker gezegd dat DE doorbraak van alternatieve energie nu afhangt van energieopslagmogelijkheden. Maar wanneer komen dit soort nieuwe ontwikkelingen nu eens als producten in de (web)Winkels terecht?  Vandaag heb ik weer heel veel kilowatts teruggeleverd naar mijn energiemaatschappij, terwijl ik vanavond weer wat nodig ben.

  9. Robert; Boerman schreef:

    Wat nou, ‘Nieuw materiaal belooft vervanging batterij…’? De aarde is onze batterij…:)
     
    Antares zit bijna goed, met een verschil: de aarde is zelf een enorme condensator vol met energie…
     
    Rond 1885 begrepen mensen zoals Nicola Tesla,  Alexander Bain en Nathan Stublefield dit principe en konden energie uit de aarde tappen.Naar aanleiding van deze experimenten van een eeuw oud, ben ik aan de gang gegaan met een aardaccu. Resultaat : 10 LED’s branden op slechts 1 volt met 4mA.

    Wordt vervolgd…
     
     

  10. Goede ontwikkeling, het is noodzakelijk dat er een manier wordt bedacht waarmee energie kan worden opgeslagen. Wellicht dat deze ontdekking uitkomst biedt!

Geef een reactie

Advertisment ad adsense adlogger