De toekomst van batterijen: Gaat er nu eindelijk iets gebeuren?

Eén van de aspecten waar bij smartphones het meest over geklaagd wordt is de batterijduur. Door de vele toepassingen die onze smartphone mogelijk maakt, moet je hem soms na een halve dag alweer aan de oplader leggen. De laatste tijd is er is dan ook vrij weinig veranderd omtrent de batterijtechnologie. De vraag is: staan we eindelijk op het punt om daar verandering in te brengen?

De batterijtechnologie is niet alleen in smartphoneland een belangrijk onderwerp. Door de komst van het (thuis) opwekken van groene stroom zijn veel huishoudens, als de zon schijnt of de wind waait onafhankelijk van grote energiemaatschappijen. De Tesla Powerwall speelt daarop in door de mogelijkheid te bieden om deze energie op te slaan voor later gebruik en daarmee volledig onafhankelijk te worden van energiemaatschappijen.

De Tesla Powerwall heeft nu de mogelijkheid om tussen de 7 en 10 kilowattuur op te slaan, terwijl alleen het aanzetten van de wasmachine, de droger en je haar een half uur föhnen al goed is voor een verbruik van 6 kilowattuur. Verbeterde batterijtechnologieën zouden er dan ook voor moeten zorgen dat bijvoorbeeld de Powerwall goedkoper wordt en meer energie kan opslaan.

Ook elektrische auto’s hebben baat bij nieuwe technologieën voor batterijen. Een Tesla heeft momenteel bijvoorbeeld 85 kilowattuur aan accucapaciteit aan boord. De batterijen bepalen tussen 30 en 50 procent van de totale prijs van de auto. Wanneer de batterijtechnologie verbetert, worden elektrische auto’s niet alleen goedkoper en daarmee aantrekkelijker, maar kunnen ze ook meer kilometers per acculading rijden (de actieradius wordt groter).

Batterijtechnologie is dus niet alleen zo geliefd om de levensduur van je telefoonbatterij te verhogen, maar ook om de mogelijkheden van duurzame energie te vergroten.

Batterij-oorlog

Steve LeVin is schrijver van het het boek The Powerhouse: Inside the Invention of Battery to Save the World. Hij sprak in november op Border Sessions over de langzame ontwikkelingen omtrent het opslaan van energie en de gigantische aandacht die er voor het ontwikkelen van nieuwe batterijtechnologieën is. De (grootschalige) opslag van energie is namelijk behoorlijk belangrijk om duurzame energie ook duurzaam te houden.

Volgens Levin mag de Russische President Vladimir Poetin hier best nerveus van worden en kan de uiteindelijke ontwikkeling van batterijen wel eens uitmonden op een ‘batterijoorlog’. Ruim 68 procent van de totale Russische export bestaat namelijk uit olie en gas. Mochten nieuwe technologieën ervoor zorgen dat er (grootschalig) groene energie kan worden opgeslagen, dan zou dit betekenen dat er een drastisch verminderde vraag naar deze grondstoffen is, wat extreme gevolgen heeft voor de inkomsten van Rusland.

Momenteel is het al mogelijk om (groene) energie op te slaan door middel van het oppompen van water of een zweeftreinbaan, maar volgens John Morgan, wetenschappelijk docent aan RMIT Universit in Melbourne, vereist deze grootschalige opslag van duurzame energie echter meer energie dan dat het uiteindelijk opbrengt. Dit wordt ook wel EROEI, de Energy Returned On Energy Invested genoemd.

Zonne-energie heeft bijvoorbeeld een EROEI van 3,6. De energie die het aanleggen en het onderhouden van een stuwmeer met zich meebrengt, resulteert in een verlaging van 3,9 naar 1,6. Dit tegenover kolen die een EROEI van 30 hebben. Putin hoeft zich wat dat betreft dus nog even niet druk te maken, maar hoever zijn we nu dan eigenlijk wel?

Verschillende batterijen

Batterijen werken kort samengevat door middel van chemische reacties, waardoor er aan de min-pool elektronen worden vrijgemaakt en op hetzelfde moment elektronen worden gebonden aan de plus-pool. Hierdoor stromen er, als er een object wordt aangesloten zoals bijvoorbeeld een lamp, elektronen van de min-pool door de lamp naar de plus-pool.

De meest bekende batterij is de alkalinebatterij. Deze batterij wordt vaak, in de vorm van AA of AAA-batterijen, gebruikt in speelgoed, fotocamera’s en mp3-spelers. De alkalinebatterij is de opvolger van de milieuvervuilende zink-koolstofcel en levert 3,5 keer meer energie.

Als opvolger van de alkalinebatterij wordt vaak de Lithium-ion batterij genoemd. Deze zie je vaak terug komen in smartphones, tablets en laptops maar ook in de auto’s van Tesla. In een Lithium-ion batterij bewegen Lithium-ionen samen met elektronen van de ene naar de andere elektrode. Als negatieve elektrode wordt vaak grafiet gebruikt, de stof die ook in de punt van je potlood zit. Grafiet heeft een gelaagde structuur waar de Lithium-ionen makkelijk tussen kunnen zitten. Hoe meer ionen je kunt opslaan, des te meer energie de batterij kan afgeven.

Ook de Lithium-ijzer-fosfaat batterij is een soort Lithium-ion batterij. De LiFePO4 heeft echter als kathode (de positieve elektrode) Lithium-ijzer-fosfaat. De LiFePO4 heeft als voordeel dat hij een grote capaciteit heeft en zeer stabiel is waardoor hij veiliger is dan andere batterijen. De LiFePO4 valt onder de ‘grote batterijen’ en wordt bijvoorbeeld gebruikt in elektrische fietsen, scooters, golftrolleys en boten.

De vooruitgang van deze batterijen staat de laatste decennia echter bijna nagenoeg stil en de prijs is vrij hoog. Wel wordt er volop (wetenschappelijk) onderzoek gedaan. Zo zijn er tal van varianten op de Lithium-batterijen zoals de Lithium-air batterij. De Lithium-air batterij heeft vrij veel potentie door de grote energiedichtheid, die vergelijkbaar is met bijvoorbeeld de energiedichtheid van benzine. Tot nu toe is het probleem bij deze batterijen dat ze relatief weinig herlaadcycli en lange herlaadtijden hebben. Daarnaast zijn ze niet stabiel en daardoor relatief onveilig.

Een andere belangrijke technologie, die bijvoorbeeld door Bill Gates wordt genoemd als het gaat om het opslaan van duurzame energie, is de Flow-batterij. De Flow-batterij is soort kruising tussen een accu en brandstofcel. De batterij pompt vanuit twee tanks vloeibare elektroden (elektrolyt) door de batterij waarbij een redoxreactie plaats vindt. Hierbij bewegen positief geladen deeltjes van de ene naar de andere aansluitpool. De batterij is daarna simpelweg weer op te laden door nieuwe elektrolyt te tanken. Deze speciale batterij zou als vervanger voor een brandstofcel moeten dienen. De vloeibare elektrolyten zijn echter lastiger in de omgang, waardoor waterstof het tot nu toe lijkt te winnen.

Dan zijn er ook nog de aluminiumbatterij en zoutwater-batterijen. Wetenschappers uit de United Kingdom hopen om met de aluminiumbatterij de alkalinebatterijen te kunnen vervangen. Naast dat de batterij in een minuut weer opgeladen is, claimen de wetenschappers dat de batterij ook veiliger is dan de Lithium-ion batterij, omdat deze minder makkelijk in brand vliegt, en een stuk milieuvriendelijker is dan alkalinebatterijen.

Ook Blue Battery werkt aan een nieuw soort batterij, maar dan een die wordt opgeladen door zout water van zoet water te scheiden. Als je stroom nodig hebt, keer je het proces om en laat je zoet en zout water bij elkaar komen om weer stroom op te wekken. Het nadeel van de batterij tot nu toe is dat hij alleen nog op kleine schaal werkt en je er daardoor alleen een smartphone mee op kunt laden. Voor een thuisbatterij zoals die van Tesla heb je een capaciteit van 10 kWh nodig, dat gelijk staat aan een kruipruimte vol met water (5000 liter water).

De toekomst van batterijen

Uiteindelijk draait de beste batterij om de ultieme combinatie tussen een zo hoog mogelijke energiedichtheid, vermogen, levensduur en de prijs. Dat dit een behoorlijk moeilijke opgave is weet ook Elon Musk, onder andere oprichter van Tesla. Musk heeft aangegeven 5 miljard in de ontwikkeling van batterijen te willen stoppen. Dit doet hij niet door te investeren in nieuwe technologieën, maar met de bouw van de Gigafactory 1. Met deze fabriek, die gebouwd wordt in Nevada, wil hij de prijs van batterijen in de toekomst drastisch laten dalen. Batterijen moeten tussen 2021 en 2025 ongeveer 2 á 3 keer zo goedkoop worden.

Musk is begonnen met de bouw van de Gigafactory omdat hij nog geen fantastische toekomst tegemoet ziet als het gaat om de ontwikkeling van andere soorten batterijen. Musk liet weten 60 verschillende technieken te volgen omtrent de ontwikkeling van batterijen. Deze ontwikkelingen heeft hij geordend door ze een cijfer tussen de 1 en 5 te geven waarbij 1 niet waardevol is en bij 5 gelijk geïnvesteerd dient te worden. Het hoogste cijfer dat hij tot nu toe heeft gegeven is een 3, waardoor het investeren in schaalgrootte voor Musk het meest waardevol lijkt.

Naast de huidige apparaten die momenteel allemaal stroom vragen, ontwikkelt het Internet of Things zich ook steeds sneller. Al deze slimme apparaten vragen ook om elektriciteit en/of batterijen. Misschien moeten we ons dan ook wel niet richten op het ontwikkelingen van nieuwe batterijen, maar moeten we slim zien om te gaan met de technologie die we nu voor handen hebben als de technologieën omtrent batterijen zich niet verder ontwikkelen.

Kill your darlings

Nederlandse onderzoekers van de Technische Universiteit van Eindhoven zijn bijvoorbeeld bezig met een temperatuursensor van 2 vierkante millimeter die geen batterij nodig heeft. De kleine sensor haalt zijn stroom uit radiogolven die deel uit maken van een draadloos netwerk.

Tot nu toe kan de sensor nog niet verder dan 2,5 centimeter van de router afstaan, maar het doel is om binnen een jaar de afstand naar 3 tot 6 meter te verbeteren. Extra pluspunt is dat de sensor slechts 20 eurocent kost.

Daarnaast investeren fabrikanten steeds meer in zuinigere processoren en draadloze communicatiestandaarden voor bijvoorbeeld smartphones en wearables. De meeste smartphones hebben tegenwoordig daarnaast een energiebesparende modus. Sony was hiermee één van de eersten: de speciale Stamina-modus in hun smartphones schakelt de internet- en wifi-verbinding standaard uit wanneer de telefoon op standby wordt gezet, waardoor de batterij per dag minimaal twee keer zo lang mee gaat.

Een ander voorbeeld is te vinden in kantoren, zoals The Edge in Amsterdam. Het gebouw dat eind mei in 2015 werd geopend. is met een duurzaamheidswaardering van 98,36 procent het duurzaamste kantoor ter wereld. Regenwater wordt opgevangen en gerecycled en er wordt thermale energie opgewekt en muren zijn zwaar geïsoleerd.

De hele zuidelijke gevel van het pand is voorzien van zonnepanelen en er wordt bijvoorbeeld gebruik gemaakt van nieuwe technologieën waarmee werknemers via een app het licht en de temperatuur kunnen afstellen. Al deze technieken zorgen ervoor dat het gebouw energieneutraal is. De pieken in de vraag naar energie kunnen met kleinere en lokale opslag worden opgevangen.

The Edge laat zien dat we tot de tijd waarin de grote doorbraak plaats vindt, ons misschien beter kunnen richten op hoe we ons energieverbruik zo laag mogelijk kunnen houden. De ontwikkeling van smart homes kan daar een grote rol inspelen, door bijvoorbeeld je wasmachine te laten communiceren met het elektriciteitsnet om zo op het moment dat de piekvraag naar elektriciteit het laagst is pas te gaan wassen. Op die manier kunnen we met zijn allen wat doen, zonder dat we hoeven te wachten op de grote doorbraak in de ontwikkeling van batterijtechnologie.