Goedkoper, lichter en energiedichter: de belofte van lithium-zwavel-batterijen | Technisch Weekblad
Achtergrond

Goedkoper, lichter en energiedichter: de belofte van lithium-zwavel-batterijen

Wetenschappers werken aan manieren om dat een lithium-zwavelbatterij meer oplaadcycli te laten doorlopen, voordat de batterij kapot gaat. Dit is nodig om dit batterijtype een realistisch alternatief te maken voor de huidige lithium-ion-batterijen.

De belangrijkste reden om deze nieuwe type batterijen te onderzoeken is dat ze veel meer energie kunnen opslaan dan vergelijkbare batterijen met lithium-ion (Li-ion) technologie. Daardoor gaan ze aanzienlijk langer mee na een keer opladen. Bovendien kunnen ze geproduceerd worden in fabrieken waar Li-ion-batterijen worden gemaakt - dus het zou relatief eenvoudig moeten zijn om ze in productie te nemen.

Lithium-zwavelbatterijen gebruiken geen kostbaar kobalt, met kwestbare wereldwijde toeleveringsketens, maar zwavel, een goedkope grondstof die beschikbaar is als bijproduct van de olie-industrie. En de kosten per stroomeenheid kunnen aanzienlijke besparingen opleveren.

Dus waar blijft deze technologie?

Het grootste probleem is dat de huidige lithium-zwavel (Li-S) -batterijen niet vaak genoeg opgeladen kunnen worden om ze commercieel interessant te maken.

Dat zit hem in de interne chemie: het opladen van een Li-S-batterij veroorzaakt een ophoping van chemische afzettingen waardoor de elektrochemische cel degradeert, wat de levensduur verkort.

De afzettingen vormen dunne, boomachtige structuren die dendrieten worden genoemd en die vertakken vanuit de lithiumanode - de negatieve elektrode in de batterij. Deze dendrieten breken de anode en de elektrolyt, het medium waarin lithiumionen heen en weer pendelen, af.

Dit vermindert het vermogen dat de batterij kan leveren en het kan kortsluiting veroorzaken, waardoor de brandbare elektrolyt in de fik kan vliegen. Dit is een goed onderzocht probleem dat ook Li-ion-batterijen treft. Daarom vereisen de veiligheidsvoorschriften van luchtvaartmaatschappijen dat back-up power packs voor mobiele telefoons alleen in de handbagage worden vervoerd, waar rook of brand eerder wordt opgemerkt of gedetecteerd.

Rommelige sprieten

Batterijontwikkelaars hebben moeite om bij het opladen van lithium-zwavelbatterijen het lithium soepel en gelijkmatig terug bij de anode te krijgen, in plaats van in de rommelige sprieten. Daardoor blijven de huidige lithium-zwavelbatterijen blijven slechts 50 oplaadcycli lang werken. Ze hebben dus een aanzienlijke verbetering nodig om commercieel rendabel te worden in personenauto's - een belangrijke markt, zegt dr. Luis Santos, onderzoeker op het gebied van energieopslag bij het technische instituut Leitat in Barcelona, ​​Spanje.

Hij is de technische coördinator van het LISA-project, dat werkt aan het optimaliseren van verschillende aspecten van lithium-zwavelbatterijen om ze compact en betrouwbaar genoeg te maken voor gebruik in kleine elektrische auto's. Een primair doel is om de lithiumanode goed te houden tijdens veel meer oplaadcycli.

Om dat te doen, gebruikt LISA-consortiumpartner Pulsedeon, uit Tampere in Finland, lasers om een keramische composiet op de anode af te zetten in lagen van slechts een paar micron dik. Dit beschermt de lithiumanode tegen degradatie en voorkomt de groei van de weerbarstige dendrietsprieten.

'Ik heb veel vertrouwen in deze anode', zei dr. Santos. ‘We hebben zeer goede partners die hard werken en mogelijk kunnen we binnenkort goede resultaten behalen.’

De componenten van de lithium-zwavelcel moeten allemaal worden geoptimaliseerd – van de anode en de beschermende keramische laag tot het membraan, de elektrolyt en de kathode. En de LISA-partners werken elk aan verschillende mogelijkheden.

Hoewel Li-S-cellen theoretisch maximaal vijf keer de energie van Li-ion-batterijen in massa kunnen opslaan, nemen ze meer ruimte in. De onderzoekers willen er daarom voor zorgen dat de verbeteringen zo compact mogelijk zijn.

Hybride elektrolyt

Een van de stappen die de LISA-onderzoekers zetten, is werken aan een vast elektrolyt – het materiaal tussen de positieve en negatieve uiteinden van de batterij dat ionen (geladen atomen en moleculen) geleidt.

Conventionele lithium-ion-batterijen gebruiken meestal een elektrolytische gel of vloeistof, maar deze kunnen zelfs bij lage temperaturen brandgevaar opleveren. Daarom werkt het LISA-consortium aan een elektrolyt die dat risico minimaliseert.

Momenteel experimenteert het met een combinatie van massieve keramische elementen en een buigzaam, flexibel polymeer. Een andere benadering is om een ​​'chemische zekering' in de cel te plaatsen. Het idee hierbij is om een ​​warmtegevoelig materiaal toe te voegen dat zich gedraagt ​​als een soort aardlekschakelaar die de elektrische stromen stopt als de temperatuur te sterk stijgt.

Dr. Santos denkt dat het LISA-project zal leiden tot substantiële verbeteringen van de lithium-zwavel technologie: 'Zelfs als we geen eindproduct hebben voor personenauto's, zullen we zeker enkele resultaten behalen die lithium-zwavelbatterijen kunnen verbeteren'.

Veel van het LISA-werk bouwt voort op de bevindingen van een project genaamd ALISE, dat werd geleid door Dr. Christophe Aucher, hoofdonderzoeker op het gebied van energieopslag bij Leitat.

Dr. Aucher zegt dat een opmerkelijke resultaat van ALISE was dat autofabrikant SEAT aantoonde dat Li-S-technologie een 10% grotere actieradius biedt dan lithium-iontechnologie voor een plug-in hybride elektrische auto (PHEV) en ongeveer 2% meer voor een volledig elektrische voertuig (BEV) – met een accu die ongeveer 15% lichter is dan het lithium-ionequivalent.

‘Het was een verrassing dat het niet net zo goed werkte als lithium-ion, maar zelf een beetje beter,’ zegt Aucher. ‘We hebben het over een technologie die nog in de kinderschoenen staat, dus dat was best verbazingwekkend.’

Drones

Dat onderzoek toonde ook aanzienlijke potentiële kostenbesparingen, waarbij Li-S mogelijk beschikbaar kan zijn voor ongeveer € 72 per kWh – 30% minder dan vergelijkbare Li-ion-technologie.

Maar de batterijen van ALISE konden slechts circa 50 cycli doorlopen voordat ze kapot gingen en volgens dr. Aucher zouden ze ongeveer 20 keer zoveel nodig hebben om rendabel te zijn voor kleine elektrische voertuigen.

Het zal nog enige tijd vergen om dit perfectioneren en om er een waardig massamarktproduct van te maken voor kleine voertuigen. ‘Voor massa-integratie (in personenauto's) hebben we het over ongeveer over tien jaar,’ zegt Aucher.

In de tussentijd lijkt de technologie de moeite waard voor toepassingen waar volume niet zo kritisch is als massa. OXIS Energy, een partner van beide projecten en gevestigd in de buurt van Oxford in het VK, werkt samen met Mercedes-Benz om batterijen voor elektrische bussen te produceren, Daar wordt het iets groter volume gecompenseerd door aanzienlijke gewichtsbesparingen, waardoor er meer passagiers vervoerd kunnen worden.

Daarnaast worden lithium-zwavelcellen al gebruikt in apparaten die lichtgewicht batterijen nodig hebben en lange tijd voort kunnen op één laadcyclus, zoals drones of satellieten.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd in Horizon, the EU Research and Innovation Magazine

€ 10 miljoen voor innovatieve batterijen van elektrische voertuigen

De Europese Commissie organiseert momenteel een wedstrijd om de volgende generatie innovatieve batterijen voor elektrische voertuigen te ontwerpen. De uitdaging is om een ​​prototype-batterij te produceren die in dezelfde tijd wordt opgeladen als nodig is om een ​​auto met verbrandingsmotor bij te tanken en een vergelijkbare afstand kan afleggen met één laadcyclus. De batterij moet dit prestatieniveau behouden gedurende een levensduur die langer is dan wat haalbaar is met de huidige batterijen. Verwacht wordt dat het ook veilig en duurzaam is en recyclebaar en economisch geproduceerd kan worden, waarbij het gebruikt maakt van materialen die gemakkelijk verkrijgbaar zijn in Europa.

Het idee van de prijs is om kennis, innovatie en concurrentievermogen op het gebied van batterijen van elektrische voertuigen en energieopslagtechnologieën te versterken. Dit heeft als doel om een verschuiving naar elektrische voertuigen aan te moedigen en bij te dragen aan een vermindering van de uitstoot van broeikasgassen.

De persoon of het team achter het winnende prototype ontvangt € 10 miljoen. De deadline voor inzendingen is 17 december 2020 en de prijs wordt eind 2021 uitgereikt. Ga voor meer informatie naar https://ec.europa.eu/research/eic/index.cfm?pg=prizes_batteries.

Ontvang de nieuwsbrief, binnenkort 2 keer per week

Meld je nu aan!

Gratis proefabonnement TW

Bestel nu 2 gratis proefnummers TW