De wereld heeft meer macht nodig, bij voorkeur in een vorm die schoon en hernieuwbaar is.Onze strategieën voor energieopslag worden momenteel gevormd door lithium-ionbatterijen - die op het snijvlak van dergelijke technologie staan - maar waar kunnen we de komende jaren naar uitkijken?
Laten we beginnen met wat basisprincipes van de batterij.Een batterij is een pakket van een of meer cellen, die elk een positieve elektrode (de kathode), een negatieve elektrode (de anode), een separator en een elektrolyt hebben.Het gebruik van verschillende chemicaliën en materialen hiervoor beïnvloedt de eigenschappen van de batterij - hoeveel energie het kan opslaan en produceren, hoeveel vermogen het kan leveren of het aantal keren dat het kan worden ontladen en opgeladen (ook wel cycle capacity genoemd).
Batterijbedrijven experimenteren voortdurend om chemicaliën te vinden die goedkoper, dichter, lichter en krachtiger zijn.We spraken met Patrick Bernard – Saft Research Director, die uitleg gaf over drie nieuwe batterijtechnologieën met transformatief potentieel.
NIEUWE GENERATIE LITHIUM-ION-BATTERIJEN
Wat is het?
In lithium-ionbatterijen (li-ionbatterijen) wordt energieopslag en -afgifte verzorgd door de beweging van lithiumionen van de positieve naar de negatieve elektrode heen en weer via de elektrolyt.In deze technologie fungeert de positieve elektrode als de initiële lithiumbron en de negatieve elektrode als de gastheer voor lithium.Onder de naam li-ionbatterijen worden verschillende chemische stoffen verzameld, het resultaat van decennialange selectie en optimalisatie die de perfectie van positieve en negatieve actieve materialen benadert.Gelithieerde metaaloxiden of fosfaten zijn het meest gebruikte materiaal als aanwezige positieve materialen.Grafiet, maar ook grafiet/silicium of gelithieerde titaanoxiden worden als negatieve materialen gebruikt.
Met actuele materialen en celontwerpen zal de li-iontechnologie naar verwachting de komende jaren een energielimiet bereiken.Desalniettemin zouden zeer recente ontdekkingen van nieuwe families van ontwrichtende actieve materialen de huidige limieten moeten blootleggen.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 schaarste en kritikaliteit van grondstoffen.
Wat zijn de voordelen?
Vandaag de dag, van alle state-of-the-art opslagtechnologieën, maakt de li-ion batterijtechnologie 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 bieden li-ionbatterijen extra voordelen, zoals een zeer lage zelfontlading en een zeer lange levensduur en fietsprestaties, doorgaans duizenden laad-/ontlaadcycli.
Wanneer kunnen we het verwachten?
Verwacht wordt dat de nieuwe generatie geavanceerde li-ionbatterijen zal worden ingezet vóór de eerste generatie solid-state batterijen.Ze zijn ideaal voor gebruik in toepassingen zoals energieopslagsystemen voor:hernieuwbare energiebronnenen vervoer (marinier, spoorwegen,luchtvaarten offroad-mobiliteit) waar hoge energie, hoog vermogen en veiligheid verplicht zijn.
LITHIUM-ZWAVEL BATTERIJEN
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-zwavel (Li-S) batterijen 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?
Een Li-S-batterij gebruikt zeer lichte actieve materialen: zwavel in de positieve elektrode en metallisch lithium als de negatieve elektrode.Daarom is de theoretische energiedichtheid buitengewoon hoog: vier keer groter dan die van lithium-ion.Dat maakt het geschikt voor de luchtvaart- en ruimtevaartindustrie.
Saft heeft gekozen voor de meest veelbelovende Li-S-technologie op basis van vastestofelektrolyt.Dit technische pad brengt een zeer hoge energiedichtheid, een lange levensduur en overwint de belangrijkste nadelen van Li-S op vloeistofbasis (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 ware grootte.
Voor toepassingen die een lange levensduur van de batterij vereisen, wordt verwacht dat deze technologie net na lithium-ion in vaste toestand op de markt zal komen.
SOLID STATE BATTERIJEN
Wat is het?
Solid state batterijen vertegenwoordigen een paradigmaverschuiving in termen 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 solid-state batterijen wordt de vloeibare elektrolyt vervangen door een vaste verbinding die er niettemin lithiumionen in laat migreren.Dit concept is verre van nieuw, maar in de afgelopen 10 jaar zijn – dankzij intensief wereldwijd onderzoek – nieuwe families van vaste elektrolyten ontdekt met een zeer hoge ionische geleidbaarheid, vergelijkbaar met vloeibaar elektrolyt, waardoor deze specifieke technologische barrière kan worden overwonnen.
Vandaag,veiligOnderzoeks- en ontwikkelingsinspanningen concentreren zich op 2 belangrijke materiaalsoorten: polymeren en anorganische verbindingen, met als doel de synergie van de fysisch-chemische eigenschappen zoals verwerkbaarheid, stabiliteit, geleidbaarheid …
Wat zijn de voordelen?
Het eerste grote voordeel is een duidelijke verbetering van de veiligheid op cel- en batterijniveau: vaste elektrolyten zijn niet-ontvlambaar bij verhitting, in tegenstelling tot hun vloeibare tegenhangers.Ten tweede maakt het het gebruik van innovatieve, hoogspanningsmaterialen met hoge capaciteit mogelijk, waardoor dichtere, lichtere batterijen mogelijk zijn met een langere houdbaarheid als gevolg 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 hebben, 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 verbeterde energieprestaties en veiligheid opleveren.Na verloop van tijd zouden lichtere solid-state batterijtechnologieën die een metalen lithiumanode gebruiken, commercieel beschikbaar moeten komen.
Posttijd: aug-03-2022