Woensdag 03/03/2021

AnalyseSmartphone

Waarom zijn smartphones nog altijd leeg na een dag intensief gebruik? Waar blijft de superbatterij?

null Beeld ANP XTRA
Beeld ANP XTRA

De vastestofaccu kan wel drie keer meer energie bevatten dan de huidige accu’s en is nog veiliger ook. Na zeven jaar is hoogleraar Petra de Jongh iets dichter bij de heilige graal gekomen: er is een werkend exemplaar.  

Het was een toevallige ontdekking, zeven jaar geleden; zo’n ontdekking waar je als wetenschapper af en toe over struikelt en die van grote waarde blijkt. Bij een zoektocht naar een beter opslagmateriaal voor waterstof, zag Petra de Jongh dat lithium heel snel bewoog langs het grensvlak van lithiumboorhydride en silica. Een normaal mens zou er zijn schouders over ophalen, maar wat de hoogleraar anorganische nanomaterialen en haar collega’s hier bijna per ongeluk zagen gebeuren, zou weleens de heilige graal van de accutechnologie kunnen zijn, realiseerden ze zich.

Die heilige graal is de vastestofaccu. Deze accu, zo luidt de belofte, kan twee tot drie keer meer energie bevatten dan een vergelijkbare accu die nu voornamelijk wordt gebruikt in elektrische auto’s en smartphones. Dat zou betekenen dat de gemiddelde auto met een accu die vergelijkbaar is in omvang, straks 800 kilometer ver komt en misschien zelfs wel 1.200. Dat betekent: in een keer naar Zuid-Frankrijk zonder bij te laden. En wat te denken van een smartphone die pas na drie drukke werkdagen weer aan de lader moet.

De vastestofaccu (solid state in het Engels) heeft meer voordelen: hedendaagse accu’s bevatten een onmisbare vloeistof (elektrolyt) die zeer brandbaar is. Als het ernstig misgaat met een auto-accu, kan een brand ontstaan die een dag duurt en soms alleen te blussen is door het complete voertuig in een container met water te laten zakken. Bij Samsung herinneren ze zich nog levendig de Galaxy Note 7, die soms spontaan tot ontbranding kwam – een akkefietje dat het technologieconcern uiteindelijk 5 miljard dollar kostte. Bij Boeing denken ze nog weleens terug aan de problemen met hun Dreamliner, die ook een paar keer zomaar in brand vloog door een probleem met de accu’s. Vanwege de problemen moest de complete vloot Dreamliners aan de grond blijven – een fenomeen waarmee ze bij Boeing sindsdien meer ervaring hebben. Vastestofaccu’s zijn een stuk veiliger, doordat het brandbare elektrolyt ontbreekt.

Overigens zijn De Jongh en haar collega’s niet de eersten en de enigen die aan de technologie werken; overal ter wereld wordt gesleuteld aan veelbelovende materialen voor dit nieuwe type accu, die louter voordelen lijkt te kennen. Niettemin was er in 2014 een feestelijke stemming.

Moeizaam

Maar waarom is de vastestofaccu er nog steeds niet? Waarom komen de meeste e-auto’s niet verder dan 400 kilometer op een acculading en zijn de meeste smartphones nog altijd leeg na een dag intensief gebruik? Waarom is de lithium-ionaccu nog altijd de norm?

‘Bij veel mensen bestaat het idee dat die superbatterij er zomaar in een keer is. Dat zal niet gebeuren’, zegt De Jongh. ‘Er zijn de laatste jaren veel kleine stapjes gezet, waardoor accu’s snel beter worden.’ 

Ook de veelbelovende ontdekking van De Jongh heeft nog altijd niet tot een werkende accu geleid. Althans: tot voor kort. Inmiddels is de onderzoeker er met onderzoekers uit Turijn en Genève in geslaagd een werkend exemplaar te ontwikkelen. Binnenkort verschijnt een publicatie in Applied Energy Materials, waarin de resultaten worden gepresenteerd.

Om te illustreren hoe moeizaam het gaat: drie jaar geleden had de Utrechtse onderzoeker al een werkende accu op basis van lithiumboorhydride. Alleen functioneerde die slechts bij 100 graden Celsius. Nu, weer drie jaar verder, is het uiteindelijk gelukt er een te maken die het bij kamertemperatuur doet. 

De truc om hem goed werkend te krijgen, zo bleek na veel experimenteren, was de accu eerst een paar keer bij hoge temperatuur op te laden en te ontladen. Zo lukte het de grenslaag tussen de elektrolyt en de kathode en de anode stabiel te krijgen. ‘Zie het als een soort voorbehandeling’, zegt De Jongh. ‘Begin je meteen op kamertemperatuur, dan wordt het tussenlaagje instabiel en is de accu na een keer of vijf kapot.’ Nu bleef de accu zeker dertig cycli goed werken, en vermoedelijk veel vaker, denkt de hoogleraar.

Hoe je hem in de eerste cycli gebruikt, bepaalt hoe stabiel dat grensvlak blijft, licht De Jongh toe. In het geval van haar accu: bij hoge temperaturen. ‘Daar kwamen we bij toeval achter. Alweer moet ik zeggen.’

Geluk speelt een rol bij accu-onderzoek. Variëren met materialen, met toevoegingen, eindeloos combineren. In feite is het spel sinds de introductie van de lithium-ionaccu een kwarteeuw geleden, niet veranderd, zegt Marnix Wagemaker, hoogleraar elektrochemische energieopslag aan de TU Delft. ‘Het gaat nog steeds om het vinden van betere anodes, kathodes en elektrolyten. Ook bij vastestofaccu’s.’

Boekenkast vullen

Deze drie zijn de hoofdcomponenten van elke accu. Wagemaker vergelijkt de elektrodes in een accu met twee boekenkasten aan de wanden van een kamer. Het lithium, waarin de energie zit opgeslagen, zijn de boeken die tijdens het gebruik van de accu van de ene boekenkast naar de andere worden verplaatst. ‘De truc is om zo veel mogelijk boeken in de kast te proppen’, zegt Wagemaker. Hoe meer boeken, hoe meer energie de accu kan bevatten. Maar prop je de kasten te vaak te vol, dan gaan ze kapot. Iets wat letterlijk ook in de accu gebeurt.

Om in de beeldspraak te blijven: een deel van de huidige boekenkasten is gemaakt van nikkel, mangaan en kobaltoxide. Die bieden slechts beperkt ruimte. Kobalt is bovendien duur en de omstandigheden waaronder het materiaal wordt gewonnen, zijn vaak erbarmelijk. ‘Daar willen we vanaf’, aldus Wagemaker. Nikkeloxide is een beter alternatief, omdat het meer lithium kan bergen, maar is minder stabiel.

Toch is het de afgelopen jaren gelukt de hoeveelheid nikkel te vergroten, ten koste van kobalt, zonder de stabiliteit te verminderen. Resultaat: meer opgeslagen energie per kilogram accu. 

Aan de kathode, de positieve elektrode van de accu, lijkt de meeste winst nu voorlopig geboekt, zegt Wagemaker. Dus verschuift de focus naar andere materialen, zoals lithium-zwavel. ‘Hartstikke interessant’, zegt Wagemaker. Zwavel is goedkoop, de olie-industrie heeft er te veel van, je kunt twee lithium-ionen aan zwavel koppelen, waardoor de capaciteit groeit. Bovendien is zwavel licht, waardoor accu’s minder wegen; goed tegen het overgewicht waar veel e-auto’s nu aan lijden. 

Helaas: zwavel reageert met de elektrolyt en de anode, waardoor de capaciteit van de elektrolyt vermindert en er dendrieten groeien aan de anode, strengetjes materiaal die, als ze de overzijde van de accu bereiken, kortsluiting en brand kunnen veroorzaken. Het laat zien, zeggen beide onderzoekers, dat makkelijke oplossingen niet bestaan: iets wat op papier lijkt te werken, leidt in de praktijk vaak tot nieuwe problemen. 

Daarom zegt de eindeloze reeks doorbraken die universiteiten en media melden vaak niet zoveel. ‘Vaak hoor je er niks meer van’, zegt Wagemaker. Dat het in het lab lukt op nanoschaal geweldige prestaties te bereiken, betekent allerminst dat in de buitenwereld ook succes wordt gehaald. De Jongh: ‘In de literatuur zie je soms toepassingen waarvan je weet: wetenschappelijk heel interessant, maar dat wordt het nooit. Want te duur. Te giftig. Te schaars. Niet te combineren met andere materialen.’ Of niet op grote schaal te fabriceren. 

Zo kan het dus zeven jaar duren voor een doorbraak in het lab leidt tot een enigszins bruikbare accu. En daarna weer jaren tot ze te koop zijn. ‘De industrie is conservatief’, zegt De Jongh. ‘Logisch, alleen al omdat veiligheid zo'n grote rol speelt.’

Dendrieten

Het is ook allerminst zeker of de komst van een vastestofaccu zal leiden tot veel betere prestaties, zegt Wagemaker. ‘De hoop was: als we vloeibaar elektrolyt eruit knikkeren en vervangen door een vaste stof, dan kunnen we de energiedichtheid vergroten door grafiet te vervangen door Li-metaal.’ Daarbij rekende men erop dat de dendrieten, die leiden tot een korte levensduur, niet door de vaste stof heen kunnen groeien. 

Maar dat blijkt dus enorm tegen te vallen. Dendrieten blijken gewoon knalhard door vaste stof heen te dringen’, zegt Wagemaker. Een beetje zoals een boomwortel zich door centimeters dik asfalt wurmt. ‘De krachten op atomaire schaal zijn enorm en kunnen een kristal openbreken.’ 

Een ander probleem is dat lithium zich vaak maar moeizaam door vast elektrolyt beweegt. Het keramische materiaal bestaat uit een soort zandkorreltjes, die tegen elkaar aan liggen, maar niet overal even goed aansluiten. Dat betekent dat de elektrolyt niet eenvoudig van de ene ‘korrel’ naar de andere hopt. Hoe lastiger het lithium zich verplaatst, hoe minder vermogen de accu kan leveren.  

Daarmee lijkt de droomaccu voorlopig nog buiten bereik. En ook weer niet, zeggen beide onderzoekers. De grootste uitdaging zit nu op de grensvlakken tussen de belangrijkste onderdelen; kathode, anode en de vaste stof. Om te voorkomen dat die met elkaar gaan reageren, is een bufferlaagje nodig. Zo’n artificial solid electrolyte interphase moet ionen goed geleiden én stabiel zijn, dendrieten tegenhouden én het contact goed houden.

Nieuwe materialen

Wagemaker ziet ook toekomst in vastestoftoepassingen waarbij de keramische ‘korrels’ worden gevat in een polymeer. De polymeer verleent stabiliteit, terwijl door de keramische structuur ionen snel de oversteek van de ene kant naar de andere kant kunnen maken. Ook ziet hij grote kansen voor nieuwe materialen voor de negatieve elektrode. Die is nu van grafiet. Mooi spul, goedkoop ook. Maar om één deel lithium op te slaan, zijn zes koolstofatomen nodig. Silicium (het basismateriaal van computerchips) kan tien keer zo veel bergen. 

Nu lukt het nog maar matig om silicium goed stabiel te krijgen, al wordt flinke vooruitgang geboekt. In combinatie met betere materialen voor de boekenkast aan de overzijde, kan de lithium-ionaccu in potentie nog twee keer meer energie bergen. Wagemaker: ‘Een factor twee is in acculand geweldig.’ Dat zou betekenen dat die e-auto straks wél duizend kilometer kan halen. Maar ook hier geldt: vooruitgang komt te voet. 

Dat ergens ter wereld ineens een enorme doorbraak gebeurt waardoor de accu ineens twee keer zo veel energie kan bergen, is niet waarschijnlijk, zeggen beide onderzoekers. Vermoedelijk zullen er meerdere technologieën komen, die elk hun ideale toepassing hebben. De ene is geschikt voor auto’s, de andere voor hoortoestellen, een derde in ruimtevaartuigen, aldus De Jongh. 

Ook auto-accu’s zullen hun eigen kenmerk krijgen; een accu die heel lang mee gaat, of juist een die supersnel kan laden, of een die veel energie kan bergen. Wagemaker: ‘Het krabbelt voort. Maar wel in de goeie richting.’ 

De vastestofauto iets van de toekomst? Hij bestaat al tien jaar!

Fabrikanten (en automobilisten) dromen al jaren van een auto met een vastestofaccu. Toch is die er al jaren. De lithium metaalbatterij wordt al ruim een decennium gebruikt  in de Bolloré Bluecar, de wat gezapig ogende elektrische deelauto's in de binnenstad van Parijs. Deze auto's hebben een vastestof elektrolyt op basis van polymeren. Deze oplossing is vrij stabiel met lithium-metaal, zegt Wagemaker. ‘En als je heel voorzichtig laadt, ontstaan er geen dendrieten.’

Een groot nadeel is dat polymeren het lithium niet goed geleiden. De accu moet eerst worden opgewarmd voor hij goed werkt en dat bederft de energie-efficiëntie. Ook is het gewicht hoger. En de auto's kunnen niet snelladen. Even langs Fastned zit er met dit type accu niet in.

Naast deze oudgediende werken autofabrikanten aan de introductie van elektrische modellen met een vastestofaccu. Zo kondigde Toyota begin dit jaar aan dat het mogelijk later dit jaar met een vastestofaccu komt. Volkswagen werkt met het Amerikaanse QuantumScape aan een superaccu. 

De Bolloré Bluecar. Beeld Hollandse Hoogte
De Bolloré Bluecar.Beeld Hollandse Hoogte
Meer over

Nu belangrijker dan ooit: steun kwaliteitsjournalistiek.

Neem een abonnement op De Morgen


Op alle artikelen, foto's en video's op demorgen.be rust auteursrecht. Deeplinken kan, maar dan zonder dat onze content in een nieuw frame op uw website verschijnt. Graag enkel de titel van onze website en de titel van het artikel vermelden in de link. Indien u teksten, foto's of video's op een andere manier wenst over te nemen, mail dan naar info@demorgen.be.
DPG Media nv – Mediaplein 1, 2018 Antwerpen – RPR Antwerpen nr. 0432.306.234