Onderzoekers werken aan veiligere accu's

Onderzoekers van de Britse Cambridge-universiteit hebben een opstelling ontwikkeld waarmee ze denken problemen met lithium-ion-accu's te kunnen doorgronden. Dat moet leiden tot veiligere accu's, onder meer voor voertuigen.

Lithium-ion-accu's zijn regelmatig de oorzaak van in brand vliegende laptops of mobiele telefoons. Kortsluiting in de cellen zorgt voor oververhitting en kan tot brand leiden. Fabrikanten waren al verschillende malen genoodzaakt om accu's terug te roepen wegens onveilige situaties. Een groep wetenschappers van de Britse Cambridge-universiteit heeft een testopstelling gebouwd om te onderzoeken wat er precies in lithium-ion-cellen gebeurt als deze kortsluiting ontwikkelen. Een beter begrip van deze processen zou een voorwaarde zijn om dit type accu's voor elektrische auto's te gebruiken. Een groep wetenschappers, onder leiding van professor Clare Grey, denkt dat begrip te kunnen verwerven.

De Cambridge-onderzoekers gebruiken nuclear magnetic resonance- (nmr-)spectrocopy om bij een kleine, één centimeter lange lithium-ion-cel naar binnen te kunnen kijken. Zo kunnen zij de vorming van zogeheten dendrieten, of een vertakkend netwerk, van lithium in een werkende batterij waarnemen. Die dendrieten vormen zich vooral als accu's te snel worden opgeladen. De vezels ontstaan aan de koolstof anode en kunnen tot kortsluiting leiden. De nmr-techniek stelt de onderzoekers in staat dit proces in een werkende lithium-ion-cel waar te nemen en zo de veroorzakers van de dendrietvorming te achterhalen en te quantificeren. Bovendien kunnen technieken om het fenomeen te voorkomen snel worden getest.

Reacties (42)

[87Vortex87]

Een nieuwe technologie zou ik ook waarderen. Bijvoorbeeld de nieuw ontwikkelde super capacitor die hier laatst op Tweakers stond (kan de link even niet vinden). condensatoren zijn in luttele seconden op te laden, maar hebben nog een zeer lage opslagcapaciteit.

Bij een condensator worden de elektronen opgeslagen op de oppervlakte waardoor een batterij snel te groot wordt om te gebruiken. Ik had een mail gestuurd naar de vent die dit onderzoek had gedaan, met de vraag waarom ze geen nanobuisjes lieten groeien op het oppervlak van de condensator, zodat de capaciteit met honderden malen wordt vergroot.
De beste man reageerde zowaar en vertelde mij dat ze: momenteel te duur zijn om te maken, te lastig om seriematig te produceren en chemisch afval zijn (kunnen niet worden afgebroken in de natuur).

Uit de argumenten blijkt i.e.g. dat het voor de toekomst geen onmogelijkheid is. Aangezien voor alle drie problemen wel een oplossing te bedenken is.

Ik zet mijn geld dus op condensatoren als stroomleverancier voor de toekomst in mobiele apparaten.

Denk bijvoorbeeld aan auto's op stroom die nu nog lang moeten laden. Je kunt dan niet eens naar Zuid-Frankrijk rijden met de auto om op vakantie te gaan. Met een condensator aan boord is de auto met een paar seconden weer opgeladen.
Telefoons die snel zijn opgeladen en draadloos kunnen worden opgeladen door elektromagnetische velden.

Het belangrijkste argument is nog wel dat de condensator nooit aan vermogen verliest, hoe vaak 'ie ook wordt opgeladen en ontladen.

[Reactie gewijzigd door 87Vortex87 op 26 juli 2024 23:10]

[Lethalshot]

Ik denk dat jij onderschat hoever we nog weg zijn van een vervanger van brandstof.
Bij verbranding van 1 liter benzine komt ongeveer 35MJ vrij. Als je een condensator wilt die een gelijke hoeveelheid energie bevat moet de condensator een capaciteit hebben van (uitgaande van het opladen tot 12V) C = e*2/ V² = 35M * 2 / 12² = 486111 Farad.
En dan zou de condensator maar 1 dm³ groot mogen zijn om de vergelijking in stand te houden. Nu heb ik veel belovende technieken gezien maar hier zitten we nog lang niet aan.
Daarnaast om deze condensator op te laden is gedurende 2 minuten een stroom van I=C*(dU/dt) = 486111 * 12/120 = 48kA nodig, dat krijg je niet zomaar door een draadje.
Vervolgens hebben bijna alle producten met een hoge energiedichtheid het gevaar dat het ontploft of in de brand vliegt (brandstoffen/explosieven), dus als we met onderzoek naar accu's ed een product kunnen maken met een iets lagere energiedichtheid maar lage kans of zelfs geen kans op explosie/brand gevaar zou dat al een hele stap vooruit zijn.

[_Silencer]

Die energie die vrijkomt bij ontbranding is een stuk hoger dan wat je uiteindelijk over zal hebben op de krukas van je motor (en tegen dat het de wielen bereikt is er nog eens een stukje af). Als je al een 1/3 van die 35MJ mechanisch hebt, mag je wel blij zijn... Een elektromotor is te maken met rendementen van rond de 90% (of zelf beter) en bij remmen kan hij als generator werken. Voor praktische toepassingen is minder al voldoende (maar je hebt wel gelijk we zitten er nog zeker nog niet aan).

[Verwijderd]

Nog een ander probleem van een condensator is dat de spanning bij het ontladen continu afneemt - in veel sterkere mate dan bij een accu het geval is. Dat kun je met electronica natuurlijk opvangen, maar dat gaat onherroepelijk gepaard met verliezen. Vooral bij lagere spanningen en vermogens (voeding voor laptops en dergelijke) zal dat de praktische bruikbaarheid in de weg staan.

[_Silencer]

Het zou inderdaad een mooie ontwikkeling zijn moest er een condensator uitkomen met de energie inhoud vergelijkbaar met huidige LiPo accu's. Vergeet wel niet dat als je een condensator met hoge dichtheid wil opladen in een paar seconden, dat we met een zeer hoge stroom zitten... dus zal enkel mogelijk worden bij laadstations (enkele seconden is eigenlijk ook niet echt nodig?).

[mstam]

Ik gebruik voor m'n modelvliegtuigen ook Lithium batterijen, echter is er al enige tijd meer keus dan alleen Li-Ion en LiPo's. LiPo's worden graag gebruikt vanwege de hoge energiedichtheid en hoge zelfontlading.

Nu zijn er ook Lithium batterijen met nano-technologie van A123 Systems en deze hebben een iets lagere energiedichtheid dan LiPo's maar vliegen onmogelijk in de fik, gaan minstens 3x langer mee (80% bij 1500 charge cycles), zijn in 12 minuten tot 99% capaciteit op te laden en hebben zelfs een nog grote zelfontlading. Deze batterijen waren initieel ontwikkeld voor power tools maar worden nu ook gebruikt in auto's en zijn favoriet in de hobby-wereld op plaatsen waar een beetje extra gewicht niet uitmaakt. Zo ook bijvoorbeeld als accu voor de receivers van m'n benzine vliegtuigen. Deze batterijen zijn heel erg voorspelbaar en vrijwel onverwoestbaar.

En naast de LiFe (LiFe is great) batterijen van A123 en klonen, zijn er ook LiMnO2 (Lithium Manganese Dioxide) batterijen met ongeveer dezelfde enrgiedichtheid als LiPo's, een iets lagere zelfontlading en gaan 40% langer mee. Deze vliegen ook niet in de fik en zijn erg geliefd bij model-jets als ECU (Engine Control Unit) batterij.

[Verwijderd]

Zelfontlading lijkt me een nadeel, of zie ik dat verkeerd?

[mstam]

Je hebt gelijk. Verkeerd verwoord. Op z'n Engels is het discharge rate.

[systemfan]

Ik zie hier om de paar maand wel eens een veelbelovend artikel passeren i.v.m. nieuwe types batterijen/accu's en dergelijke, maar zelden tot nooit zie ik hier resultaten van.. Lijkt me een soort sector met veel onderzoek maar weinig effectief resultaat

[Mentalist]

Ik zie hier om de paar maand wel eens een veelbelovend artikel passeren i.v.m. nieuwe types batterijen/accu's en dergelijke, maar zelden tot nooit zie ik hier resultaten van..

Is ook een XKCD-strip over: http://www.xkcd.com/678/

En er zit nog een kern van waarheid in ook. Het kost gewoon erg veel tijd om iets ook echt op de markt te zetten. In 1993 waren er ook al LCD-TV's (kleintjes), maar voor ze echt grootschalig en betaalbaar beschikbaar waren? We hebben ook al jaren beloftes voor nieuwe beeldschermtechnieken (SED, laser, Amoled en nog meer). SED is ondertussen afaik zo'n beetje afgeblazen, van laser horen we ook weinig meer en ja, de Sony XEL-1 ìs een amoled TV die al 3 jaar te koop is. Maar het zal nog jaren duren voor amoled met een mooi formaat betaalbaar te koop is. Het kost gewoon erg veel tijd om technologie goed genoeg en goedkoop genoeg te maken voor de massa en om het ook daadwerkelijk op de markt te zetten.

Ik vrees dat wat voor duidelijke verbetering in accu's dan ook nog minstens 5 jaar zal duren.. Helaas.

[Reactie gewijzigd door Mentalist op 26 juli 2024 23:10]

[High-Voltage2]

Dat gaat meestal over nieuwe technieken die nog in de ontwikkelingsfase zitten. Tegen dat daar een bruikbaar commercieel product van gemaakt is, zijn we al snel vijf tot tien jaar verder.

[Verwijderd]

Als de kwaliteit omhoog gaat kan men misschien ook de capaciteit verhogen.. Misschien is de capaciteit ook begrenst door een hogere kans op fouten zoals hierboven genoemd wordt..

Ik denk ook dat voor auto's deze typen accu's niet geschikt zijn.. ik zie liever waterbrandstofcellen, dan hoef je alleen waterstof met zuurstof te laten reageren en je hebt elektriciteit.. kwestie van tijd tot de hele cyclus rendabel wordt..

[_Silencer]

Waterstof is enkel een energiedrager en moet je altijd zelf produceren. Het punt is dat ze nog volop bezig zijn naar het zoeken van een goede commerciële (massa productie) methode die ook milieu vriendelijk is. Ook moet er nog meer onderzoek gedaan worden naar de brandstofcel (denk aan levensduur membraan, kostprijs, hogere stroom kunnen leveren, ...).

Voor de nabije toekomst zal het gewoon accu's worden en als we deze veiliger kunnen maken en eventueel minder belastend voor de natuur (recyclage programma), is er niet echt een reden om het niet te gebruiken (totdat er een betere techniek commercieel toepasbaar is).

[Verwijderd]

Ja daar heb je gelijk in.. ik ben gewoon van mening dat het milieu vriendelijker is dan de producties van die accu's.. Mits het proces natuurlijk sterk verbeterd is en het totale rendement van de cyclus "well to wheel".

Inderdaad hopen dat men de accu's goed produceert en recycled in de toekomst..

accu's voor mobieltjes etc niks mis mee, maar voor auto's hoop ik op iets efficienters..

[Verwijderd]

Inderdaad, dat is de kern van de zaak: de energie moet ergens vandaan komen. Bij fossiele brandstof is de bron zonne-energie van voorbije eonen. Daar komt een eind aan; op een zeker moment, niet eens zo heel ver weg, is het op.
Waterstof of electriciteit zijn niet zomaar beschikbaar: met behulp van een of andere energiebron moet je dat maken. Als het erop aankomt, vrees ik dat men over de bezwaren van kernenergie wel heen zal stappen - autorijden, vliegvakanties naar verre oorden en dergelijke zijn tenslotte voor velen het hoogste goed -, maar ook die energiebron is eindig. Toch zullen de kosten voor energie aan het einde van het olietijdperk flink gaan oplopen. Onvermijdelijk zal daardoor aan het tijdperk van de particuliere auto een einde komen. Binnen tien tot twintig jaar is te verwachten, dat het over is met de particuliere auto zoals we die nu als vanzelfsprekendheid beschouwen. Erg veel middelen aanwenden om dingen als batterijen of brandstofcellen voor auto's te ontwikkelen is dus, wetend dat de praktische resultaten van zulk onderzoek lang op zich zullen laten wachten, van weinig nut, tenzij die resultaten ook kunnen worden toegepast voor massatransportmiddelen. (Iets soortgelijks geldt trouwens voor nog meer asfalt. Vanuit de wetenschap dat het autotijdperk toch ten einde loopt, kunnen we daar beter mee ophouden.)
Voor laag-energetische toepassingen zoals laptops ligt dat iets anders. Uiteindelijk is een computer ook vele malen belangrijker dan de mogelijkheid om als individu in een blikken doos van A naar B te kunnen rijden.

[Reactie gewijzigd door Verwijderd op 26 juli 2024 23:10]

[87Vortex87]

Dat is inderdaad mijn bezwaar tegen waterstof, het (nog) niet rendabel zijn en het gevaar. Ik las laatst trouwens wel dat men in staat is om waterstof te creëren uit zonlicht door bepaalde nanobuisjes. Geen idee hoe dat werkt, maar toch interessant voor waterstof als energiebron.

Waterstof is alleen wel een vervelend goedje als het misgaat. Klapt harder per gram dan plutonium of uranium, zonder het verval overigens.

[Reactie gewijzigd door 87Vortex87 op 26 juli 2024 23:10]

[tijgetje57]

waarom worden er geen Gel accu's gebruikt.

Die zijn veilig, ploffen niet, sluiten niet kort, leveren continu een hoog vermogen, kunnen tegen diep ontladen.

Klinkt allemaal goed of zijn ze te duur?

[_Silencer]

Te lage energie inhoud per massa/volume (toch bij huidige commerciële types). Ik denk niet dat mensen graag nog een kg of twee extra willen bij hun laptop.

[gnimmeL_kraD]

Er zitten anders ook nog een flink aantal nadelen aan gel-accu's die eerst nog wel weggewerkt moeten worden. Denk aan dat er boven de 20 graden celcius de accu niet meer optimaal geladen kan worden, dus dat er in de praktijk weer koeling op moet.

[atimar]

dacht dat ze al wat deden met power caps en gold caps en zo voor auto gebruik.
is wel van een poos geleden alweer, maar toch
ze hadden het toen al over een vervang idee voor Li-Ion
besides ... naar mijn idee is een condensator toch al vele malen beter dan een accu, behalve dan in opslag cappaciteit (momenteel nog)
die dingen kunnen eenmaal miljoenen malen opgeladen zonder idiote verliezen

[Verwijderd]

Nauwelijks... Volledig elektrische auto's bestaan alleen als prototypes, en de eerste serie modellen komen nu pas op de markt. Die hebben inderdaad Li-ion, maar alleen omdat dat de enige accu is die nog enigzins voldoende vermogen kan leveren t.o.v. zijn gewicht en volume. (Er is dus geen keus....) Maar ik moet de eerste zien die 34000 euro uitgeeft, voor een auto ter grootte van een smart... dus zelfs die serie produktie auto's zijn min of meer prototype...

Hybrides zijn er wel volop.... Maar in tegenstelling tot wat de meesten denken, gebruiken de Toyota Prius en Honda Civic hybrid en Insight (99% van de markt) géén Li-ion accu's, juist vanwege het brandgevaar.

[berns]

Dit klopt niet kijk maar oa naar de Tesla Roadster, de snelste.Is er al weer een tijdje.

[robvanwijk]

Voor de mensen die "nuclear magnetic resonance" (NMR) enigszins bekend in de oren klinkt: deze techniek heet in de gezondheidszorg "magnetic resonance imaging" (MRI). Hoewel het "nuclear" over atoomkernen gaat en niks met kernbommen te maken heeft wil je dat woord toch liever bij je patiënten weghouden, vandaar dat ziekenhuizen de "N" weglaten. Voor de rest is het exact dezelfde techniek, alleen met een ander naampje.

[RadiQal]

Ik zie liever dat er technieken worden ontwikkeld om de accuduur wat te verlengen. Dit loopt namelijk totaal niet parallel met prestaties die wij van apparatuur verwachten/eisen...

[Reactie gewijzigd door RadiQal op 26 juli 2024 23:10]

[Dorgaldir]

kwantiteit komt na kwaliteit, eerst zien dat ze niet meer in brand schieten en dan kunnen we verder gaan zoeken om ze langer te laten werken.
Ik vind het goed dat ze hier onderzoek naar aan het doen zijn, kan alleen maar positief zijn.

[blurryilluzion]

Persoonlijk sta ik liever een half uurtje langer te 'tanken' dan dat mijn accu's ontploffen als ik gedurende meer dan 5 km 150+ kilometer per uur rijd in een Plug-in-Prius...

[Verwijderd]

Ik zou me meer zorgen maken om het gaspedaal in een Toyota.

[MaxMadu]

Wat een kortzichtige comment, alsof dit de enige onderzoekers ter wereld zijn die onderzoek doen naar lithium-ion-accu's, er zijn op dit moment uiteraard parallel teams aan het werk om de accuduur te verlengen, dat lijkt me ook een prioriteit voor de industrie.

OT: erg goed dat er wat aan de veiligheid wordt gedaan, als meer auto's hiermee worden uitgerust moeten de accu's niet zomaar in brand kunnen vliegen. Ik hoop dat de onderzoekers met bruikbare resultaten komen.

[Verwijderd]

Ik geloof nog steeds meer in een combo brandstofcel -elektra als in litium-elektra