TU Delft en de zoektocht naar de ultieme batterij
Een kleine groep wetenschappers en studenten van de TU Delft onderzoekt iets dat de komende jaren weleens van grote betekenis kan zijn in ons leven. Want als auto’s in de toekomst elektrisch worden en iedereen zonnepanelen op het dak heeft, wordt het belangrijk de ultieme batterij te hebben.
Wie op bezoek wil komen bij het batterijenlab van de TU Delft krijgt van tevoren een dringend verzoek: neem je paspoort mee. Aanmelding bij de beveiliging is verplicht, je komt de deur niet door zonder toestemming. De reden voor die strenge beveiliging is de kernreactor bij het reactorinstituut van de Technische Universiteit, een kleine reactor die wordt gebruikt voor allerhande soorten onderzoek. Eén van de groepen die gebruikmaakt van nucleaire processen om onderzoek te doen, is het Storage of Electrochemical Energy (SEE), ofwel het ‘batterijenlab’, waar professor Marnix Wagemaker leiding aan geeft.
Op deze afdeling werken een kleine dertig personen aan de toekomst van batterijtechnologie. Er werken hoogleraren, afstudeerders, postdocs en onderhoudsmedewerkers. Wagemaker (te zien in bovenstaande afbeelding) is één van hen.
Chemical engineering
Het lab werd in een aantal jaren geleden opgezet. Destijds werd er binnen de TU Delft al batterijenonderzoek gedaan, maar volgens Wagemaker zat dat vooral in de hoek van chemical engineering. “Toen ik hier begon met mijn PhD, begonnen we aan batterijonderzoek te denken vanuit de neutronenhoek. Met röntgenstraling is het lastig om li-ionen te detecteren, maar met neutronen gaat dat veel beter. We realiseerden dat we daar dus veel meer kanten mee op konden.”
Wagemaker zegt dat de TU Delft daar uniek is in op de wereld. “Er zijn op de wereld ontzettend veel onderzoekers bezig met de toekomst van batterijtechnologie, bij zowel bedrijven als in laboratoria, maar wij zitten echt in een belangrijke niche met dit onderzoek.” Er is wereldwijd maar één ander laboratorium dat met batterijen onderzoekt op basis van neutronen, in Frankrijk.
Dat maakt het werk van Wagemaker en zijn collega’s erg waardevol. “Op wereldwijde schaal stelt Europees batterijonderzoek qua massa niet heel veel voor, maar we doen hier relatief veel goede nieuwe ontdekkingen.” Vooral China zit momenteel in de lift op het gebied van batterijonderzoek, omdat de Chinese overheid het op dit moment erg stimuleert om nieuwe batterijtechnologie te vinden of bestaande te optimaliseren. Maar een kernreactor … die wordt toch echt vooral in Delft gebruikt.
©PXimport
Het batterijenteam heeft daarvoor een eigen plekje in een laboratorium waar ook teams van andere afdelingen werken aan onderzoek. In de loods staan allerlei gekleurde buizen, één ervan is voor Wagemaker en zijn team.
Het proces dat er plaatsvindt, heeft wat weg van de Large Hadron Collider: nucleaire deeltjes worden in noodvaart door de buis geschoten, waar onderzoekers een nieuwe batterijsoort in plaatsen. Door de botsing van verschillende deeltjes kunnen de onderzoekers zien hoe deeltjes zich in werkende batterijen voortbewegen. Het batterijenlab is hierin uniek.
Het lab ontstond een aantal jaren geleden als samenwerking tussen wetenschappers met verschillende achtergronden. Wagemaker: “Sommigen zijn echte chemici, anderen – zoals ik – hebben een fysische achtergrond. Door elkaars kennis te combineren, kunnen we beter begrijpen hoe de processen werken en hoe batterijen beter gemaakt kunnen worden.”
Op deze manier zijn er door de jaren heen verschillende processen, technieken en materialen getest, waarvan er een aantal zijn overgebleven die potentie hebben. Andere blijken niet te werken en worden niet doorontwikkeld.
Verschillende batterijen voor verschillende toepassingen
Het batterijenlab is niet specifiek op zoek naar één heilige graal van accutechnologie. Het team onderzoekt juist de verschillende mogelijkheden die in de toekomst mogelijk lithium-ion kunnen vervangen. Ook proberen ze op verschillende manieren bestaande batterijen te optimaliseren. Wagemaker: “Eén van belangrijkste doelen is om de mechanismen die we nu niet snappen, alsnog te begrijpen. Waar zitten de bottlenecks van de volgende generatie batterijen? Wat werkt goed of juist niet goed om die op te lossen?”
Een goed voorbeeld is de lithium-lucht-batterij. Als concept erg veelbelovend, maar het elektrolyt in de batterij overleeft de chemische reacties op dit moment nog niet. “We moeten daarvoor een elektrolyt zoeken dat het wél overleeft, maar omdat we nog niet precies begrijpen hoe het proces werkt, is een oplossing nog ver weg.”
Toch heeft het batterijenlab door de jaren heen redelijk goed kunnen afbakenen wat wel of niet werkt. Er zijn een paar veelbelovende technieken waar de onderzoekers nu beter naar kijken. Sterker nog, Wagemaker denkt juist dat het wel gedaan is met één batterijsoort voor alle apparaten die we hebben.
“Een lithium-ion-batterij heeft voordelen in kleine consumentenapparaten zoals smartphones, maar er zijn andere soorten batterijen die beter geschikt zijn om in auto’s te gebruiken of die je thuis kunt neerzetten.” Dat komt omdat er voor verschillende toepassingen verschillende eisen nodig zijn. Voor een auto is gewicht en oplaadsnelheid belangrijk, voor een thuisaccu is de prijs per opgeslagen KwH van belang. Wagemaker denkt dat het in de toekomst goed mogelijk is dat we verschillende soorten batterij-technieken in ons leven krijgen voor verschillende toepassingen.
Batterij-materialen
Lithium is op dit moment de meest gebruikte batterijvorm. Wagemaker denkt dat er in de toekomst mogelijkheden ontstaan voor batterijen op basis van andere ladingdragende elementen zoals natrium of magnesium. Het batterijenlab heeft daarvoor inmiddels al een samenwerking opgestart met NWO en met een aantal bedrijven om dat type batterij te onderzoeken en eventuele nieuwe materialen te ontwikkelen.
“De chemische eigenschappen van natrium lijken sterk op die van lithium, met het grote verschil dat het makkelijker te verkrijgen is dan lithium.” Natrium kan uit zeewater worden gewonnen, en dat kost vrijwel niets. Lithium is op dezelfde manier te winnen, maar dat is niet kosteneffectief. “Daarom zijn we nog steeds afhankelijk van zoutvlaktes in specifieke geografische regio’s zoals Zuid-Amerika of China. Nieuwe batterijtechnologie houdt juist rekening met die beschikbaarheid.”
Dát is de grootste stap waar onderzoekers zich nu mee bezighouden: er moet van tevoren al worden nagedacht over alle aspecten van een nieuwe batterij. “Wat je nu in de wetenschap ziet, is dat veel mensen de filosofie hebben om vooral te bedenken welke materialen duurzaam en goedkoop te winnen zijn én hoe je het kunt recyclen. Dat is een goede ontwikkeling.”
©PXimport
Wagemaker noemt als voorbeeld dat er batterijmaterialen zijn die je bij een synthesetemperatuur (de temperatuur waarbij de batterij wordt gemaakt) van duizenden graden moet maken. “Dat kost dus heel veel energie. Dan moet je vooraf dus zeggen: ‘Ok, laten we ons dan alleen richten op processen tot maximaal een paar honderd graden’.”
Ook recycling is een belangrijke factor die je al in een vroeg stadium moet meenemen. Het is nu bijvoorbeeld lastig een lithium-ion-batterij te recyclen, één van de grote nadelen van zulke accu’s – al zit het onderzoek van de TU daarover wel in de lift.
De focus ligt voor een belangrijk deel ligt bij processen die nu nog niet bestaan of die de wetenschappers nu nog niet goed begrijpen. Neem het onderzoek naar batterijen op basis van waterige elektrolyten, die nu nog niet zo efficiënt zijn.
Wagemaker: “Zulke batterijen hebben een veel lager voltage dan lithium-ion-batterijen. Dat heeft als nadeel dat ze een lagere energiedichtheid hebben, waardoor de batterij zwaarder wordt.” Dat ene feit hoeft het echter niet te betekenen dat batterijen op basis van water geen bestaansrecht hebben. “Die worden gewoon niet voor je telefoon, maar juist voor je huis.”
Auto's en groene stroom
Auto’s en duurzame energie zijn belangrijke nieuwe technologieën die de ontwikkeling van nieuwe batterijen de komende jaren in een stroomversnelling kunnen brengen. De efficiënte opslag van energie is daarbij van cruciaal belang. Die trend is nu al zichtbaar bij bijvoorbeeld het gebruik van zonnepanelen. “We zijn langzaam aan het afstappen van fossiele brandstoffen en maken straks effectief alleen nog gebruik van zonne- of windenergie. We moeten daar betere oplossingen voor bedenken.”
Een langetermijnoplossing voor het verwerken van zonnestroom is nodig vanwege de grote verschillen tussen de hoeveelheid stroom die wordt opgewekt in de zomer en in de winter. “Je moet die stroom ergens voor gebruiken. Daar moet je bijvoorbeeld brandstof van maken, zoals methaan.” Een batterij is daarvoor dus niet zo geschikt, maar voor de korte termijn is het wel een oplossing. “Voor in je eigen huis is een thuisaccu van 10 of 20 kilowattuur dan perfect.”
Juist daarin kunnen sprongen worden gemaakt, denkt Wagemaker. “Als je kijkt naar wat er nu is, dan is daar wel wat te verbeteren. Een loodzuuraccu zoals die nu in je auto zit is een mogelijkheid, maar die heeft een korte levensduur als je hem vaak op- en ontlaadt.” Dergelijke ‘powerwalls’ zijn overigens uiteraard geen nieuw idee. China heeft ze al jaren, en autofabrikant Tesla introduceerde in 2015 een eigen thuisaccu waarin tussen de 7 en 10 kilowattuur aan energie kan worden opgeslagen.
©PXimport
Wanneer we de nieuwe batterijsoorten gaan zien, is nog maar de vraag. Volgens Wagemaker heeft dat voor een groot deel ook te maken met marktwerking, schaalvergroting en de economie. “De beste optie wint niet altijd.” Lithium-ion-batterijen worden inmiddels op zo’n grote schaal geproduceerd dat het moeilijk is voor alternatieve technologieën om op grote schaal te concurreren.
Toch zit daar wel hoop volgens Wagemaker: “Lithium-ion moet je produceren in een droge omgeving, je hebt daar heel specifieke ruimte voor nodig. Op een gegeven moment loop je dan tegen een soort bodemprijs aan. Zeker voor statische batterijen is de productie van lithium-ion duurder dan die van batterijen op basis van een waterige elektrolyt.”
Wil je op grootschalig niveau een andere technologie inzetten, dan moet je daar bijna op landsniveau iets voor regelen – iets wat in China bijvoorbeeld al gebeurt. Wagemaker: “Nederland is te klein om dat te doen. Maar als je wéét dat iets milieuvriendelijker is, moet je daar dan niet juist op inzetten?”
Die schaalvergroting is iets wat nieuwe technologieën kan stimuleren. De opkomst van de elektrische auto en de dalende prijzen van zonnepanelen zorgen ervoor dat straks ineens iedereen wel ergens een grote accu voor nodig heeft.
Lithium-metaal
Over de hele wereld zijn duizenden wetenschappers bezig met efficiëntere batterijtechnologie, maar het batterijenlab van de TU onderscheidt zich van alle andere door het gebruik van de kernreactor. Daarmee kunnen de onderzoekers namelijk zien wát zich binnen een lithium-batterij afspeelt – een vraagstuk dat anders heel lastig te beantwoorden is.
Wagemaker: “Neem onderzoek naar lithium-metaal. Dat is eigenlijk een perfecte anode voor energiedichtheid. Dat, en de anode in lithium-zwavel- en lithium-lucht-batterijen kunnen de energiedichtheid flink vergroten. In een ideale wereld wil je grafiet vervangen door lithium-metaal. In de praktijk lukt dat nog niet omdat het sterk reageert met het elektrolyt en omdat het nog onveilig is.” Daar komt het onderzoek met de reactor om de hoek kijken. Door neutronen op lithium af te schieten, ontstaan nieuwe deeltjes. “Als we die analyseren, zien we hoe het lithium zich door de materialen beweegt en waar het met de elektrolyt reageert.”
Dat is slechts één voorbeeld van de vele toepassingen waar de reactor kan worden ingezet om beter te begrijpen waar het met de batterij van de toekomst mogelijk misgaat.
©PXimport
Het uiteindelijke doel van het batterijenlab is niet om die ene perfecte batterijtechnologie te vinden, ook niet als je die onderverdeelt in verschillende categorieën zoals de statische batterij voor thuis of de autoaccu. Binnen ieder veld moet ook weer worden gezocht naar wat wel en niet werkt: er is niet één oplossing.
“We onderzoeken verschillende concepten”, zegt Wagemaker. Eén van zijn collega’s werkt bijvoorbeeld aan de oude ‘Edison-batterij’, een oud maar oerdegelijk concept dat door agressieve concurrentie nooit van de grond is gekomen. “Dat is wel degelijk een aantrekkelijk concept voor een statische thuisbatterij”, vertelt Wagemaker. “Hij is erg robuust, al kan er qua efficiëntie nog veel worden gewonnen.”
En die Edison-batterij is slechts één concept. Wagemaker gelooft zelf ook in zink-aqueous en natrium-aqueous batterijen. “Dat zijn twee concepten die ik hoog op mijn lijstje heb staan van wat ik denk dat werkt op het gebied van statische opslag.” Eigenlijk zijn alle vormen van accu’s op basis van waterige elektrolyten goede kanshebbers, denkt hij. “Ze zijn veiliger en daarom geschikt voor in huis. Bovendien zijn ze goedkoper te produceren en makkelijker te recyclen.”
Rondleiding
Wagemaker neemt ons nog mee op een rondleiding door het batterijenlab. Studenten en onderzoekers met witte labjassen aan, werken hier aan verschillende nieuwe concepten. De ‘batterijen’ die hier liggen, zien er nog niet uit als ronde Duracells die je in de winkel koopt en ook niet als het accublok in je auto.
Boven een lange tafel hangen verschillende rollen met koperkleurige en aluminium platen die de studenten gebruiken als geleidingsmateriaal. Daardoor zien de nieuwe batterijen er nu nog vooral uit als kleine plaatjes zilverfolie, maar volgens Wagemaker is dat genoeg om de voltages te testen. Het zijn ook deze plaatjes die uiteindelijk in de andere ruimtes met neutronen worden beschoten.
©PXimport
Het hart van het lab zijn de ‘gloveboxes’, zie boven. Die gebruiken de onderzoekers om de batterijen te maken, om te voorkomen dat ze in contact komen met lucht of andere stoffen. Toegegeven, het is iets minder spannend dan de kernreactor, maar het leidt tot grote veranderingen!
