Nieuwe batterijen van de toekomst: 7 recente mijlpalen
Je laptop in 30 seconden opladen. Je smartphone pas om de week moeten opladen. In 10 minuten weer klaar zijn voor het volle rijbereik van je elektrische wagen. En minder warmteontwikkeling. Betere batterijen? Daar kan iedereen zich wel wat bij voorstellen. Over de hele wereld wordt dan ook gewerkt aan de volgende generatie batterijen.
Nieuwe batterijen voor veiligheid en milieu
Onderzoekers zijn voortdurend op zoek naar nieuwe soorten batterijen, maar waarom? Er zijn verschillende redenen, maar veiligheid en milieuvriendelijkheid zijn de voornaamste.
De nieuwe batterijen moeten veiliger worden in hun chemische samenstelling en zo weinig mogelijk zeldzame grondstoffen bevatten. Zo zullen de positieve effecten op mens en milieu doorwegen in een toekomst waarin batterijen een steeds belangrijke rol spelen.
Maar nieuwe batterijen moeten ook beantwoorden aan de noden van de markt: snellere oplaadtijden, een langere rijtijd in een elektrisch voertuig, betaalbare groene energie voor particulieren en bedrijven, enz..
Daarom staan batterijen momenteel in het middelpunt van innovatieve ontwikkelingen. Deze 6 mijlpalen zijn al bereikt.
1. De warmtebestendige batterij
Oplaadbare lithium-ion batterijen hebben heel wat pluspunten. Maar ook minpunten. Warmte-ontwikkeling, bijvoorbeeld. De batterij kan dan beschadigd raken en aan capaciteit verliezen.
'Hoe maken we de batterij beter bestand tegen warmte? ' vroegen onderzoekers van Penn State University zich af. Hun antwoord is een batterij die opwarmt tot +/- 60°C en dan weer afkoelt. Daarvoor zorgt de nikkelfolie aan de - pool van de batterij. Daardoor kan ze tot 1700 volledige laadcycli aan. En de batterij van een elektrische wagen is in amper 10 minuten weer opgeladen. Cool, toch?
2. De vaste-stof EV batterij
Het Battery Innovation Centre (BIC) van de onderzoeksgroep MOBI (Vrije Universiteit Brussel) is bekend als ‘hotspot’ van batterij-onderzoek, onder meer naar solid-state (vaste-stof) batterijen. Daarin wordt het vloeibare elektrolyt vervangen door een vast materiaal. Krachtiger, kleiner, veiliger en goedkoper.
In oktober 2019 pakte MOBI uit met een ultramoderne dry room voor de productie van nieuwe batterij-technologieën. Hiermee wil MOBI de capaciteit van batterijen voor elektrische auto's stevig verhogen, zodat het rijbereik van elektrische wagens wordt uitgebreid (tot 800 km en meer), de batterijkosten dalen en elektrische wagens goedkoper worden.
Lees meer over e-mobility in dit artikel.
Begin dit jaar (2021) kwamen Volkswagen en Quantumscape met een doorbraak in de ontwikkeling van vaste-stofbatterijen. Voordien botsten ontwikkelaars op heel wat obstakels in hun zoektocht naar een geschikte scheider voor vaste-stofbatterijen. De verschillende geteste scheiders veroorzaakten immers problemen die de batterij vroegtijdig deed falen. Maar nu heeft Quantumscape een keramische scheider ontwikkeld die voldoende kracht heeft, geen problemen veroorzaakt en meer dan 1000 cycli kan meegaan.
De toekomst ziet er dus veelbelovend uit voor vaste-stof-batterijen in de EV-sector. Ook Toyota is volop bezig met ontwikkeling in dit domein en wil dit jaar al een eerste concept presenteren. Volkswagen laat weten dat het tegen 2025 eigen vaste-stof-batterijen zal produceren en Nissan plant tegen 2028 een prototype uit te brengen met deze technologie.
3. De batterij voor energieopslag
Megabatterijen
Steeds meer natuurlijk opgewekte stroom is afkomstig van zonnepanelen en windmolens, zelfs van de getijden van de zee. #duurzaam is hét sleutelwoord voor energie. Maar waar kan je alle groene stroom die niet meteen verbruikt wordt, opslaan? In superbatterijen, stelt Tesla dat in 2017 een mega lithium-ion batterij in Australië bouwde, goed voor 100 megawatt.
Daar bleef het niet bij. In 2018 was België aan de beurt, met een even krachtige megabatterij in het Limburgse Dilsen-Stokkem. De eerste in Europa. In 2020 heeft ook Gent een Megabatterij gekregen voor de Nieuwe Dokken, die een optimaal beheer van de energiestromen moet voorzien voor een nieuwbouwproject. Er staan nog verschillende andere projecten klaar voor plaatsing in Vlaanderen. Die moeten hoofdzakelijk dienen om de grote schommelingen in ons elektriciteitsverbruik op te vangen en de stabiliteit van het net te garanderen. Dit heet peak shaving. Totnogtoe wordt hiervoor voornamelijk energie gebruikt van gas- en waterkrachtcentrales. Die hebben echter ook hun beperkingen in snelheid van reactie op wat de markt vraagt en in kilowatt-vermogen dat ze kunnen bieden.
Battery-as-a-Service (BaaS)
In de auto-industrie worden de grenzen van ‘Battery-as-a-Service’ voorzichtig afgetast. Een elektrisch voertuig zou dan op de markt gebracht worden zonder batterij. Als EV-eigenaar lease je in dat geval een batterij die aan je noden van het moment voldoet. Als je bijvoorbeeld voornamelijk korte ritjes maakt, dan kan je een compacte batterij aanschaffen met een lager rijbereik. Moet je toch eens wat verder rijden, dan wissel je je batterij bij een servicestation in voor een exemplaar met sterkere accucapaciteit. Bij het Chinese automerk NIO is dit systeem al operationeel. En ook Hyundai ontwikkelt een battery-leasing systeem.
Maar ook buiten de auto-industrie zit er potentieel in het BaaS-model. In Dendermonde werkt een groep ondernemers volop aan een uniek energieproject. Ze willen een energiegemeenschap creëren waar ondernemingen onderling energie uitwisselen.
“De meeste ondernemers hebben in hun eigen firma al gedaan wat ze konden met isolatie, energiebesparing en zonnepanelen. Het potentieel van individuele inspanningen is grotendeels uitgeput. Om de volgende stap te zetten moeten we de zaken collectief aanpakken in een energiegemeenschap.” - Hugo Van Den Broecke, Lovitas (De Tijd)
Ook internationaal zien we verschillende gelijkaardige projecten opduiken. In Finland presenteren DSO Elenia en Fortum een nieuw businessmodel waarbij een aggregatorbedrijf de investering doet in een batterijsysteem, en dat systeem als service aanbiedt aan andere bedrijven.
Thuisbatterijen
In ons land zitten ook thuisbatterijen (zoals de Tesla Powerwall) in de lift. Ze zullen wellicht verder doorbreken - als ook de prijs en terugverdientijd democratischer worden.
In de categorie van thuisbatterijen vinden we ook een alternatief voor de lithium-ion batterij: de zoutwaterbatterij. Die is veiliger en milieuvriendelijker, maar door de lage energiedichtheid wel zwaarder en groter. Dit is een ontwikkeling met veel potentieel in onze ambitie om steeds ecologischere oplossingen te vinden voor energieopslag.
Gebruikte batterijen van elektrische voertuigen kunnen eveneens voor energie-opslag worden gebruikt. Een afgedankte lithium-ion batterij van een elektrische bus of auto kan waarschijnlijk nog 7 tot 10 jaar dienst doen voor het opslaan van zelf opgewekte energie, lezen we bij bloomberg.com.
Hoe bereid je je best voor op de groeiende markt van thuisbatterijen? Ontdek het in dit artikel.
Een tweede leven voor gebruikte bus-batterijen
Het is intussen zo’n 10 jaar geleden dat de eerste elektrische bussen werden gelanceerd op Europese wegen. Binnenkort zijn de battery packs dus aan vervanging toe. Maar dat betekent niet dat ze klaar zijn voor de afvalberg. Batterijen uit e-bussen kunnen een tweede leven krijgen in een energieopslagsysteem. Onderzoeksprojecten over heel Europa zijn in volle ontwikkeling. Zo heeft bussenproducent Solaris in samenwerking met het National Centre for Research and Development een project ‘Second Life’, met als doel om tegen 2022 een prototypesysteem voor energie-opslag klaar te hebben met de oude batterijen uit hun e-bussen. Volvo werkt aan een gelijkaardig project in samenwerking met Stena Property en Stena Recycling in Gotheburg, en VDL Groep werkt samen met Scholl Energy.
In elk geval bieden de ‘second life’ toepassingen van gebruikte batterijen nog heel wat mogelijkheden.
4. De lithium-zwavel batterij
VITO, UHasselt, IMEC, KU Leuven en EnergyVille zijn volop aan de slag met een veelbelovend nieuw batterijtype: de lithium-zwavelbatterij. Dat is een batterij die geen kobalt en nikkel nodig heeft, wat toxische materialen zijn waarbij grote hoeveelheden water en energie nodig zijn voor de ontginning. In de plaats daarvan werkt de batterij met zwavel, de op twee na meest voorkomende grondstof op aarde, die vaak wordt beschouwd als een afvalproduct.
De technologie staat nog niet volledig op punt, maar ziet er wel hoopvol uit. De lithium-zwavelbatterij heeft het potentieel om vijf keer meer energie op te slaan dan de huidige lithium-ionbatterij!
5. De batterij die CO2 aanzuigt
Een batterij dient niet altijd om apparaten te doen werken of auto’s te doen rijden. Er is er sinds 2019 ook één die CO2 uit de omringende lucht of uit specifieke industriële gassen haalt. Het waren de onderzoekers van het MIT (Massachusetts Institute of Technology) die een electro swing battery ontwikkelden. Vergelijk het met een stofzuiger. De batterij heeft een bekleding van polyanthraquinone rond haar elektroden. Die coating trekt koolstofdioxide-deeltjes aan die daarna worden opgeslagen of verder gebruikt. Wetenschappers voorzien nog veel meer toepassingen voor deze technologie. En dat is goed nieuws voor een schoner milieu!
Hoe dat werkt, zie je hier.
6. De CO2-concurrent voor lithium-ion
CO2 (koolstofdioxide) speelt nog op een andere manier een rol in de zoektocht naar betere batterijen. Met name in het onderzoek naar méér batterijcapaciteit voor minder gewicht. Lithium-ion krijgt binnenkort stevige concurrentie. Want (bijvoorbeeld) de combinatie van lithium en CO2 houdt tot 7 keer meer stroom vast dan lithium-ion vandaag. Probleem is wel dat die CO2 zich vastzet in de batterij, waardoor de capaciteit op den duur vermindert. Een probleem waarin onderzoekers van de Universiteit van Illinois zich hebben vastgebeten. In dit geval zorgde molybdeendisulfide (MoS2) in 2019 voor een bruikbare lithium-CO2 batterij.
7. EV batterijen supersnel opladen
In Israël heeft een start-up (StoreDot) een technologie ontwikkeld die de grootste stress van EV-bestuurders kan wegnemen: de beperkte actieradius. Hun systeem kan een lege batterij immers volledig opladen in slechts 5 minuten.
“We veranderen de hele ervaring van de bestuurder, het probleem van ‘range anxiety’... dat je kan vastzitten op de snelweg zonder energie” - Doron Myersdorf, oprichter van Storedot.
Deze ontwikkeling heeft het potentieel om revolutionair te zijn op het gebied van elektrische voertuigen, maar er is nog een lange weg te gaan voor het geïmplementeerd kan worden. Het systeem is immers afhankelijk van heel wat andere factoren, zoals aangepaste oplaadpunten, een beter recyclagesysteem en het marktaandeel van elektrische voertuigen.
