De wereld heeft meer energie nodig, bij voorkeur in een vorm die schoon en hernieuwbaar is.Onze strategieën voor energieopslag worden momenteel gevormd door lithium-ionbatterijen – die op het scherpst van de snede zijn – maar waar kunnen we de komende jaren naar uitkijken?
Laten we beginnen met enkele basisbeginselen van de batterij.Een batterij is een pakket van één of meer cellen, elk met een positieve elektrode (de kathode), een negatieve elektrode (de anode), een separator en een elektrolyt.Het gebruik van verschillende chemicaliën en materialen hiervoor beïnvloedt de eigenschappen van de batterij: hoeveel energie deze kan opslaan en produceren, hoeveel stroom hij kan leveren of het aantal keren dat hij kan worden ontladen en opgeladen (ook wel fietscapaciteit genoemd).
Batterijbedrijven experimenteren voortdurend om chemie te vinden die goedkoper, dichter, lichter en krachtiger is.We spraken met Patrick Bernard – Saft Research Director, die drie nieuwe batterijtechnologieën met transformatief potentieel uitlegde.
NIEUWE GENERATIE LITHIUM-ION BATTERIJEN
Wat is het?
In lithium-ion (li-ion) batterijen wordt energie opgeslagen en vrijgegeven door de beweging van lithiumionen van de positieve naar de negatieve elektrode heen en weer via de elektrolyt.Bij deze technologie fungeert de positieve elektrode als de initiële lithiumbron en de negatieve elektrode als gastheer voor lithium.Verschillende chemieën zijn verzameld onder de naam li-ionbatterijen, als resultaat van tientallen jaren van selectie en optimalisatie tot in de perfectie van positieve en negatieve actieve materialen.Lithiaatmetaaloxiden of fosfaten zijn het meest voorkomende materiaal dat als huidige positieve materialen wordt gebruikt.Grafiet, maar ook grafiet/silicium of gelithieerde titaniumoxiden worden als negatieve materialen gebruikt.
Met de huidige materialen en celontwerpen wordt verwacht dat de li-iontechnologie de komende jaren een energielimiet zal bereiken.Niettemin zouden zeer recente ontdekkingen van nieuwe families van ontwrichtende actieve materialen de huidige grenzen moeten ontsluiten.Deze innovatieve verbindingen kunnen meer lithium opslaan in positieve en negatieve elektroden en zullen het voor het eerst mogelijk maken om energie en kracht te combineren.Daarnaast wordt bij deze nieuwe verbindingen ook rekening gehouden met de schaarste en kriticiteit van grondstoffen.
Wat zijn de voordelen ervan?
Tegenwoordig maakt de li-ionbatterijtechnologie, van alle geavanceerde opslagtechnologieën, het hoogste niveau van energiedichtheid mogelijk.Prestaties zoals snel opladen of temperatuurbereik (-50°C tot 125°C) kunnen worden verfijnd door de grote keuze aan celontwerp en chemie.Bovendien vertonen li-ionbatterijen extra voordelen, zoals een zeer lage zelfontlading en een zeer lange levensduur en cyclusprestaties, doorgaans duizenden laad-/ontlaadcycli.
Wanneer kunnen we het verwachten?
Er wordt verwacht dat een nieuwe generatie geavanceerde li-ionbatterijen zal worden ingezet vóór de eerste generatie solid-state batterijen.Ze zijn ideaal voor gebruik in toepassingen zoals energieopslagsystemenhernieuwbare energiebronnenen transport (marien, spoorwegen,luchtvaarten offroad-mobiliteit) waar hoge energie, hoog vermogen en veiligheid verplicht zijn.
LITHIUM-ZWAVELBATTERIJEN
Wat is het?
In li-ionbatterijen worden de lithiumionen opgeslagen in actieve materialen die tijdens het laden en ontladen als stabiele gastheerstructuren fungeren.In lithium-zwavelbatterijen (Li-S) zijn er geen gastheerstructuren.Tijdens het ontladen wordt de lithiumanode verbruikt en wordt zwavel omgezet in een verscheidenheid aan chemische verbindingen;tijdens het opladen vindt het omgekeerde proces plaats.
Wat zijn de voordelen ervan?
Een Li-S-batterij gebruikt zeer lichte actieve materialen: zwavel in de positieve elektrode en metallisch lithium als negatieve elektrode.Daarom is de theoretische energiedichtheid buitengewoon hoog: vier keer groter dan die van lithium-ion.Dat maakt het geschikt voor de lucht- en ruimtevaartindustrie.
Saft heeft de meest veelbelovende Li-S-technologie op basis van vastestofelektrolyt geselecteerd en bevoordeeld.Dit technische pad zorgt voor een zeer hoge energiedichtheid, een lange levensduur en overwint de belangrijkste nadelen van het op vloeistof gebaseerde Li-S (beperkte levensduur, hoge zelfontlading, …).
Bovendien is deze technologie een aanvulling op lithium-ion in vaste toestand dankzij de superieure gravimetrische energiedichtheid (+30% op het spel in Wh/kg).
Wanneer kunnen we het verwachten?
Grote technologische barrières zijn al overwonnen en het volwassenheidsniveau vordert zeer snel richting prototypes op volledige schaal.
Voor toepassingen die een lange levensduur van de batterij vereisen, zal deze technologie naar verwachting net na solid-state lithium-ion op de markt komen.
SOLID-STATE BATTERIJEN
Wat is het?
Solid State-batterijen vertegenwoordigen een paradigmaverschuiving op het gebied van technologie.In moderne li-ionbatterijen bewegen ionen van de ene elektrode naar de andere over de vloeibare elektrolyt (ook wel ionische geleidbaarheid genoemd).In volledig vastestofbatterijen wordt de vloeibare elektrolyt vervangen door een vaste verbinding, waardoor lithiumionen er toch in kunnen migreren.Dit concept is verre van nieuw, maar de afgelopen tien jaar zijn er – dankzij intensief wereldwijd onderzoek – nieuwe families van vaste elektrolyten ontdekt met een zeer hoge ionische geleidbaarheid, vergelijkbaar met vloeibare elektrolyt, waardoor deze specifieke technologische barrière kon worden overwonnen.
Vandaag,VeiligDe onderzoeks- en ontwikkelingsinspanningen concentreren zich op 2 belangrijke materiaaltypes: polymeren en anorganische verbindingen, waarbij de synergie van de fysisch-chemische eigenschappen zoals verwerkbaarheid, stabiliteit, geleidbaarheid … wordt nagestreefd.
Wat zijn de voordelen ervan?
Het eerste grote voordeel is een duidelijke verbetering van de veiligheid op cel- en batterijniveau: vaste elektrolyten zijn bij verhitting niet brandbaar, in tegenstelling tot hun vloeibare tegenhangers.Ten tweede maakt het het gebruik mogelijk van innovatieve hoogspanningsmaterialen met hoge capaciteit, waardoor dichtere, lichtere batterijen mogelijk zijn met een betere houdbaarheid als resultaat van verminderde zelfontlading.Bovendien zal het op systeemniveau extra voordelen opleveren, zoals vereenvoudigde mechanica en thermisch en veiligheidsbeheer.
Omdat de batterijen een hoge vermogen-gewichtsverhouding kunnen vertonen, kunnen ze ideaal zijn voor gebruik in elektrische voertuigen.
Wanneer kunnen we het verwachten?
Naarmate de technologische vooruitgang voortduurt, zullen er waarschijnlijk verschillende soorten volledig solid state-batterijen op de markt komen.De eerste zijn solid-state batterijen met op grafiet gebaseerde anodes, die zorgen voor verbeterde energieprestaties en veiligheid.Op termijn zouden lichtere solid-state batterijtechnologieën die gebruik maken van een metalen lithiumanode commercieel beschikbaar moeten worden.
Posttijd: 03 augustus 2022