MIT-onderzoekers verbeteren lithium-lucht-accu's

Een groep onderzoekers van de Amerikaanse MIT-universiteit heeft verbeteringen aan lithium-lucht-accu's ontwikkeld, die de capaciteit van de accu's vergroten. De onderzoekers zetten daartoe koolstof nanovezels in, die als elektrode dienstdoen.

Een lithium-lucht-accu maakt gebruik van zuurstof uit de atmosfeer als oxidator van lithium, in tegenstelling tot een lithiumion-accu, waarbij de kathode een vaste stof is. Bij de vorming van lithiumoxide komt energie vrij die als elektrische energie benut kan worden. Een lithium-lucht-accu is dan ook lichter, omdat geen solide, maar een poreuze kathode gebruikt wordt, waarbij zuurstof continu via lucht kan worden aangevoerd. De energiedichtheid per gewichtseenheid van een dergelijke accu is dan ook groter dan bij een lithiumion-accu.

De hoeveelheid lithiumperoxide die zich aan de kathode kan binden is de beperkende factor voor de energie die de accu kan leveren. Door echter het interne oppervlak van de kathode te vergroten, kan het bindingsoppervlak, en zo de capaciteit, worden uitgebreid. De MIT-onderzoekers hebben dit bewerkstelligd door kathodes van koolstof nanodraden met een doorsnede van 30nm te produceren. De elektrodes bevatten meer dan negentig procent lege ruimte, zo schrijven de onderzoekers in hun paper.

De energiedichtheid per gewichtseenheid van hun accu's zou met 2500Wh/kg een record zijn en ruim viermaal groter zijn dan die van een traditionele lithiumion-accu. De accutechniek werkt overigens vooralsnog alleen in het lab; een commercieel product moet nog ontwikkeld worden. Wel biedt de techniek, waarbij de nanodeeltjes netjes geordend zijn, een mogelijkheid om de reacties in de elektrodes tot in detail met een elektronenmicroscoop te bestuderen en zo meer inzicht in de accu's te verkrijgen om ze verder te verbeteren.

Reacties (64)

[Verwijderd]

"De energiedichtheid per gewichtseenheid van een dergelijke accu is dan ook groter"

Ideaal voor elektrisch auto's dus!
Zowel voor de prestatie als voor het design.

En het overkomt de slechte eigenschappen van Lithium-ion-accu, namelijk:
Hoge kostprijs
Gevallen van explosie door hoge temperaturen, het lijkt mij dat door de continue luchtaanvoer ook hitte wordt afgevoerd?

[Powerkiwi]

Ik vraag me eigenlijk af hoever accu's zich nog zullen (kunnen?) ontwikkelen. Misschien lopen we over 20 jaar wel met smartphones die je, net als een horloge, niet oplaadt, maar gewoon een paar jaar gebruikt en daarna de batterij verwisselt?

[MSalters]

Nee. Uiteindelijk is een batterij een apparaat wat elektrische energie opslaat door de elektrische staat van atomen (ionen) te veranderen. Het theoretische maximum is dus een batterij waarin alle atomen daaraan bijdragen, en het soort atomen ook optimaal is.

We weten dat lichte atomen efficienter zijn voor batterijen - alleen de buitenste elektronen dragen bij - dus lithium (maar 3 elektronen) is al bijna optimaal. In theorie is waterstof nog efficienter, maar dat blijft niet in je batterij. Het levert wel een bovengrens op van 143 MJ/kg. Lithium zit nu op 1.3 [edit] MJ/kg dus 110 keer slechter. Je kunt dus van 2 dagen naar theoretisch 220 dagen, maar een paar jaar (1000 dagen) is simpelweg niet haalbaar met alleen betere batterijen.

[Reactie gewijzigd door MSalters op 23 juli 2024 04:19]

[Verwijderd]

Volgens mij vergeet je de factor: mJ -> kJ (megajoule ->kilojoule)

Dan dus 110.000 keer slechter......
(daarmee zou de door jou genoemde 1000 dagen wel haalbaar zijn)

[tommy320]

Zijn getal 1,3kJ/kg klopt niet, dat moet 1,3MJ/kg zijn

[sirono]

je bedoelt die je daarna weggooit?
want dat is dan de realiteit natuurlijk

[Verwijderd]

Weggooien klinkt zo negatief: het wordt dan gerecycled.

[Paul - K]

Alleen nu komt er toch 2Li+ + 2O2 + 2e- ==> Li2O2, komt deze stof dan in de atmosfeer terecht? Dan is het toch een milieuvervuilende accu en raak je deze lithium ook kwijt, of blijft dit behouden?

[freaq]

ik neem aan dat de zuurstof gebonden wordt aan het lithium,
anders zouden de accu's ook maar enkele keren bruikbaar zijn aangezien de werkzame stof zou vervliegen.

[Japs]

Ik weet niet precies hoe de laad-reactie werkt (geen zin om te googlen), maar ga er maar vanuit dat het Li2O2 gewoon in de accu blijft, en bij het opladen weer wordt gesplitst in Li en O2...anders is het meer een wegwerp batterij dan een oplaadbare accu

[omgwtfbbq]

Li2O2 is een vaste, witte stof. Deze zal dus in de accu achterblijven nadat ie ontstaan is

[ReDnAx1991]

En hoe denken ze Lithium weer te ontdoen van zijn gevormde zuurstof?
Zoals ik het nu lees begin je met Lithium en deze laat men reageren met zuurstof en hierbij ontstaat energie.

Maar als al het Lithium heeft gereageerd kan het geen energie meer aanmaken, want dat is nou net wat wordt bereikt met de reactie.

Hierboven las ik iets over een auto die meteen 800Km zou kunnen rijden op een accu met een gelijke grootte, dat zou dan wel zo kunnen wezen maar als je elke keer je accu moet vervangen na 800Km wordt je ook niet vrolijk.

[Stannieman]

Hoogstwaarschijnlijk splitst het lithium en zuurstof zich gewoon weer door er een stroom doorheen te sturen, electrolyse dus (of in de volksmond opladen).

[ReDnAx1991]

Dan heb je het dus over ontladen, in een normale accu gebeurd het namelijk andersom. Je stopt er energie in door hem op te laden met stroom uit het stopcontact. Bij deze accu wordt er juist energie gevormd als hij ontladen is. Er heeft dan namelijk nog geen zuurstof gereageerd met het Lithium.

[OddesE]

Hij heeft het wel over opladen. Elektrolyse is het splitsen van een stof in zuurstof en iets anders (in dit geval Lithium).

Dus: Bij het ontladen wordt zuurstof gebonden aan het lithium en komt energie vrij. Bij het opladen wordt het zuurstof weer afgesplitst en wordt juist energie opgenomen.

[ATS]

Net zoals dat bij elke andere accu/batterij werkt: het gaat om een omkeerbare chemische reactie. Dat betekent dat je ook het omgekeerde kan doen van het ontladen. Dat is overigens ook het verschil met een condensator: daar komt geen chemie bij van pas.

[Parsec01]

Er zijn ook single-use batterijen, zoals Alkaline batterijen. Die waren eerst niet thuis op te laden. Er kwamen wel opladers op de markt, maar die zijn nooit een succes geworden.

Die knoopcellen kun je ook niet thuis opladen. Natuurlijk kunnen die batterijen in een fabriek met speciale equipment weer hergebruikt worden, maar ook dat is niet echt 'opladen'.

[noudm]

Het is maar de vraag of dit wel herlaadbare accus zijn... Dit word nergens vermeld. Iedereen kent wel die knoopcellen uit horloges enzo, die er in velen varianten zin; zo ook in de lithium uitvoering. Ik denk dat dit niet oplaadbare batarijen zijn!

edit:
Hmmm in het bronartikel (http://web.mit.edu/newsof...battery-storage-0725.html)
hebben ze het wel over oplaadbare cellen.

[Reactie gewijzigd door noudm op 23 juli 2024 04:19]

[Verwijderd]

Dus er moet weer veel energie in de lithium oxide gestopt worden om het lithium opnieuw te gebruiken? Dat lijkt me niet echt een handige oplossing, bovendien is lithium erg giftig.

Ik zie meer toekomst in dit.

De batterijen die met behulp van de gel worden gemaakt zijn niet alleen in een kwestie van seconden op te laden, maar gaan ook nog veel langer mee.

Een ander bijkomend voordeel is dat de gel gemaakt wordt van koolstof en water, twee gemakkelijk verkrijgbare en niet-giftige grondstoffen. Dit in tegenstelling tot lithium dat nu in de meeste batterijen wordt gebruikt.

[alamont]

Dat is precies het principe van een oplaadbare batterij. Er vindt een reversibele chemische reactie plaats die stroom opwekt. Als je de batterij wilt opladen stuur je er stroom doorheen om de reactie de andere kant op te laten lopen zodat je weer stroom op kan wekken met je batterij.

[MSalters]

Lithium is niet erg giftig, dat is een behoorlijk fabeltje. Ja, je kunt makkelijk data vinden hoe het in het menselijk lichaam werkt. Bij het beoordelen van de giftigheid van een grondstof moet je ook nog meerekenen hoe makkelijk die grondstof in je lichaam komt. En dan zie je dat lithium onder normale omstandigheden zo langzaam in je lichaam komt dat er geen nadelige effecten zijn.

Dat komt ook omdat litium behoorlijk brandbaar is. Bij het verwerken is het dus nodig om het niet aan de lucht bloot te stellen. Dat betekent dat een belangrijke route om gif in je lijf te krijgen (via je longen) geen groot gevaar is. Er is wel een brandgevaar, maar datzelfde heb je met koolstof.

[Gammro]

Dat is een hele mooie ontwikkeling, de accuwereld moet zich weer eens sneller gaan ontwikkelen(of de hw moet veel zuiniger worden, dat zelfs nog liever)

[Phoenix_the_II]

Wat dacht je van beide?

Waarschijnlijk geeft het gevolg van grotere capiciteit van een batterij een gevoel dat de hardware makers minder nauw gaan kijken op het verbruik van hun hardware.

Waarom zouden ze? De batterij houd het toch lang genoeg uit naar wens?

[MSalters]

Autofabrikanten zijn nog lang niet tevreden met de batterij, en lopen dus met de hardware te pielen. Helaas is de efficiency van auto's al heel lang bestudeerd, en zijn er geen supergrote doorbraken te verwachten. Luchtweerstand is vrij fundamenteel.

[pegagus]

Als daadwerkelijk een accu wordt ontwikkeld met een capaciteit van 4x van wat nu mogelijk is, dan geeft dat ineens wel een actieradius van 800 km. Ofwel, gelijk aan een volle tank brandstof.

Helaas vermeldt het artikel niets over laadcapaciteit. Maar als die ook 4x zo groot is, dan zou je wellicht de accu binnen 10 minuten voor 80% kunnen laden. Voor lange afstanden is dat prima te doen. Kun je ondertussen even ee bakje koffie halen en de benen strekken.

[JDVB]

En voor thuisgebruik hang je hem gewoon thuis aan het lichtnet.
Waarbij het dan niet uitmaakt dat het opladen de hele nacht duurt, zolang als je toch die 800km niet haalt op een dag.
Voor de kleine auto die voor stadsgebruik bedoeld is zou dit ook simpel kunnen betekenen dat de accu een stuk lichter kan. 1/4 van het gewicht met zelfde capaciteit is ook erg mooi.

Gewicht telt voor een auto natuurlijk ook flink mee. Hoe lichter de auto wordt, hoe gemakkelijker deze op snelheid te krijgen is.

Wat ik me wel afvraag is wat de afmetingen van deze accu zullen zijn.
De gewicht/energie ratio is een stuk aantrekkelijker, maar als deze accu ook 10x zo groot moet worden is dit minder leuk.
Zelfde hoeveelheid energie met 1/4 van het gewicht en zelfde afmeting zou ook al super zijn, maar helemaal mooi wordt het natuurlijk wanneer dit veel kleiner nog zou kunnen.

Zij schrijven meer dan 90% lege ruimte, daarom lijkt het mij dat deze accu's vrij groot zullen zijn.

De hoeveelheid lithiumperoxide die zich aan de kathode kan binden is de beperkende factor voor de energie die de accu kan leveren. Door echter het interne oppervlak van de kathode te vergroten, kan het bindingsoppervlak, en zo de capaciteit, worden uitgebreid. De MIT-onderzoekers hebben dit bewerkstelligd door kathodes van koolstof nanodraden met een doorsnede van 30nm te produceren. De elektrodes bevatten meer dan negentig procent lege ruimte

Wanneer het zou lukken deze accu's met veel minder lege ruimte toch net zo effectief te houden in de gewicht/energie verhouding dan zou dit toch heel wat kleiner moeten kunnen.
Of ga je dan ventilatoren nodig hebben om de zuurstof er doorheen te pompen?

[Reactie gewijzigd door JDVB op 23 juli 2024 04:19]

[Theft_eXP]

Auto accu's met een degelijke capaciteit voor 80% laden binnen 10 min ga je echt niet redden aan het gangbare lichtnet... daar ben je wel een speciale aansluiting voor nodig die die ampere's kan verwerken. aan het gewone stopcontact zit je toch vast aan de 16A max.

[Verwijderd]

maximaal vermogen uit 16A: 230 x 16 = 3680 W

Dus om 1 kg accu op te laden 2500 Wh ben je op 1 groep minimaal (2500/3680 x 60 minuten=) 40 minuten bezig...

Omdat je in een auto wel meer dan 1 kg hebt liggen, zal het laden toch nog wel een aantal uur duren zonder krachstroom of industriele (> 16A) aansluiting.

[MSalters]

't Is makkelijker om uit te rekenen wat je in een auto nodig hebt. Dat is zo'n 20 kW bij 100 km/hr. Oftewel, voor een bereik van ~400 km heb je 80 kWh nodig, en dat opladen kost dus 80.000/3680 ≅ 24 uur.

[Verwijderd]

Dat is wel heel grof afgerond. Het is iets minder dan 22 uur. Bovendien, wie zegt dat je met maar 1 groep tegelijk laadt? Het is mogelijk om gewoon 4 groepen tegelijkertijd te gebruiken. Dan zit je op een uurtje of 5.5. Nog steeds vrij lang. Je zult minimaal een 128A moeten hebben thuis om dit een beetje gangbaar te maken. En dat kan ons net niet aan.

[LooneyTunes]

Bovendien, wie zegt dat je met maar 1 groep tegelijk laadt? Het is mogelijk om gewoon 4 groepen tegelijkertijd te gebruiken.

Dan zit je nog met de 32A zekering van het energiebedrijf (in die zwarte, verzegelde, kast waar de grijze "straat kabel" ingaat in je meterkast)

Die groepen verdeling heeft alleen te maken met (het woord zegt het al) groeperen van verschillende zones in een woning / bedrijf.

Ik heb bijvoorbeeld 10 groepen. Ieder apparaat in de keuken heeft zijn eigen groep. (was zo toen ik het huis kocht ) Toch kan ik max 32A uit de straat trekken.

Dus voor een beetje snellader toch maar een 10KV lijntje aanschaffen (Of 380 voor minder snel laden)

[Reactie gewijzigd door LooneyTunes op 23 juli 2024 04:19]

[mae-t.net]

@Atlas85:

Iets minder dan 22 uur exclusief laadverliezen. Gewoon 24 uur of meer dus. Niks grof afgerond.

4 groepen tegelijk gebruiken gaat niet lukken (mag ook niet). Wel kan je 3 groepen tegelijk gebruiken mits die samen een krachtstroomvoorziening vormen (400V is de meest gebruikelijke variant), dan heb je het over 3 fasen. Dat soort aansluitingen is doorgaans ook zwaarder dan 16A. Ik meen dat 32A de lichtste variant is tegenwoordig, maar dat kan per regio verschillen.

[Reactie gewijzigd door mae-t.net op 23 juli 2024 04:19]

[Verwijderd]

Zij schrijven meer dan 90% lege ruimte, daarom lijkt het mij dat deze accu's vrij groot zullen zijn

Op nano-schaal zijn weinig voor je gevoel logische regels nog van toepassing. Een buisje met een wanddikte van 1 atoom hoeft niet groter te zijn dan een staafje gevuld met atomen, en kan dus toch veel lichter zijn.

[The Reeferman]

Helaas zijn niet al die ontdekkingen toegepast, zo herinner ik me een prototype van Shell en Opel samen die op 1 liter 167km kon rijden. En dit was in de jaren 70.

[JDVB]

Over zuinige auto's.

Met 1 liter brandstof heel ver komen, dat is inderdaad eerder gedaan. Wat jij aanhaalt zijn dan alleen een soort van 1 persoons gemotoriseerde ligfietsen.Nu haalt men er heel veel meer mee. Er is bijvoorbeeld een jaarlijkse eco wedstrijd van shell waarbij men behoorlijke records weet neer te zetten. Hierbij is de 167 kilometer die jij nu noemt echt enorm achterhaald.

5000 kilometer rijden op 1 liter brandstof. Dat kan!
De deelnemers werken toe naar de Europese finale in het Duitse Lausitz op 26 tot 28 mei. Op het circuit presenteren zij hun eigengemaakte auto van de toekomst.
Het ultieme doel is het verbreken van het record van - omgerekend - 4.896 kilometer op 1 liter benzine, dat vorig jaar door een team uit Frankrijk is gevestigd.

Diesel dat ook nog eens dichter bij productie zit komen we ondertussen wel aardig dichter bij de 167km die jij nu noemt:

Bij een gemiddelde snelheid van 75 kilometer per uur bedraagt het verbruik 0,89 liter diesel per honderd kilometer.bron zuinigste auto ter wereld

Dit is overigens heel veel zuiniger dan een electromotor

[Nox]

Een electromotor haalt ongeveer 99% efficientie. Een verbrandingsmotor kan daar praktisch gezien niet overheen vanwege alleen al de restwarmte.

Het verschil is dat de 'auto' in jouw artikel niet echt een 'volwaardige' auto is zoals men die kent. Het valt onder een auto maar of het volwaardig is aan hedendaagse maatstaven? Nee.

[DrBreakalot]

De efficiëntie van een elektromotor gaat nog een stuk naar beneden; de elektriciteit wordt opgewekt, getransporteerd, in accu's opgeslagen, en dan wordt de motor nog eens aangedreven.
Ik zou wel eens willen weten wat de volledige efficiëntie van een elektromotor vs. benzinemotor is (ook incl verwerking en transport).

[OddesE]

de elektriciteit wordt [..] getransporteerd

Iets zegt me dat de efficiency van het transport van elektriciteit nauwelijks te overtreffen valt. Niet door mammoettankers in elk geval.

Als je bij elektrische auto's de opwekking, het transport en de opslag mee gaat rekenen dan zul je bij benzine auto's ook de winning, raffinage en transport moeten meetellen.

Olie is goedkoop, maar energie efficient? Nee ik denk het niet. Zeker als je die affakkel vlammen boven zo'n raffinaderij ziet. Dat kán bijna niet efficient zijn.

Verder is, in tegenstelling wat men hier lijkt te denken, niet zozeer het formaat of het gewicht van het accu pakket de bottleneck als wel de prijs. Denk aan 10.000 dollar voor een accupakket waarmee je slechts 200 Km kunt rijden. Dus wat vooral belangrijk is aan deze nieuwe technologie is de prijs, want als je accu alleen al meer kost dan een middenklasser benzineauto dan kunnen we elektrische auto's voorlopig wel vergeten.

[GeoBeo]

Ik ben het er niet mee eens dat er geen supergrote doorbraken te verwachten zijn in de autotechnologie. Luchtweerstand is inderdaad fundamenteel, maar als je het ontwerp van de auto's op dit moment ziet lijkt het net of de fabriekanten luchtweerstand compleet genegeerd hebben. Auto's die op dit moment verkocht worden zijn absoluut niet zo aerodynamisch als ze zouden kunnen zijn. Het komt niet eens in de richting. Zie bijvoorbeeld de aerocivic voor meer tekst en uitleg.

[Reactie gewijzigd door GeoBeo op 23 juli 2024 04:19]

[dasiro]

beiden gebeuren al jaren, alleen willen we niet dat de hardware even krachtig blijft als 20 jaar geleden. Integendeel, die blijft nog steeds lineair toenemen. Daardoor zit je nog altijd met doorsnee toestellen die het 2 tot 4 uur volhouden. Moest je een laptop van 10 jaar geleden met de huidige productieprocessen vervaardigen, dan zou die veel langer meegaan, maar dat wil je niet, omdat je smartphone ondertussen al sneller is dan je goeie ouwe eerste generatie pentium 4

[Gropah]

Mooi nieuws als dit in smartphones komt. Als het 4x zoveel energie kan hebben zou een smartphone dus nog maar 1x per 4 dagen aan de lader te hoeven en wordt hij lichter. Dat zou mij een hoop gedoe en gezeul schelen

[Mastakilla]

er wordt niets vermeld over de capaciteit / volume

als de accu's 4x meer capaciteit per gewicht hebben, maar 50x meer volume per capaciteit, lijkt het me niet echt practisch voor in een gsm te steken eh

[Verwijderd]

Ik denk dat het niet als doorbraak gemeld zou worden als het verschil in volume tussen lithium-ion en deze techniek erg groot zou zijn, want dan is inderdaad het positieve er wel vanaf ;-)

[Unstable Element]

Daardoor zou ik het dus accuut vergeten.
Een accu moet in mijn geval of elke nacht aan de kader of meer als een week mee gaan.

[Pyrone89]

Euhm je kan het moeilijk vergeten. Hij geeft een melding als hij bijna leeg is

[paulus83]

Leuke techniek,.maar voor in een telefoon zou het betekenen dat je ook een ventilatie gat of poreuze batterij klep moet hebben, als ik het goed begrijp. Leuk als je eens door de tegen loopt!

[Vastloper]

Ik neem aan dat je regen bedoelt, maar jij loopt dus met een blootgestelde accu door de regen? Meestal zit die gewoon in een telefoon verpakt bijvoorbeeld of wat dacht je van een auto? In een auto kan makkelijk de accu droog gehouden worden zonder dat er regen bij komt, net als met de inzittenden die ook droog zitten. Meeste telefoons moet je sowieso niet zomaar in de open regen houden en zelfs dan nog komt de regen niet direct op de accu terecht. Als de regen echt in je mobiel komt heb je sowieso al een probleem, niet alleen met de accu! Telefoons zijn over het algemeen niet luchtdicht zeker niet het accudeel, maar een spatje regen komt niet zomaar bij de accu.

[Reactie gewijzigd door Vastloper op 23 juli 2024 04:19]

[Finraziel]

Je snapt zijn punt niet, er moet lucht bij deze accu komen anders doet hij het niet. Je kan er dus niet gewoon een in een telefoon verwerken zoals we dat nu doen. In een auto kan het echter prima toegepast worden lijkt me, al zal er dan wel een systeem gecreëerd moeten worden om lucht naar de accu's aan te voeren.

[Verwijderd]

Onzin, in een telefoon kan het net zo goed. Dat is ook wat vastloper zegt.

[Verwijderd]

4 keer meer dan een traditionele L-ion batterij.
Maar hoeveel meer dan bijvoorbeeld een modernere Lithium-ion polymeer batterij?

[Verwijderd]

3.6. lipo batterijen hebben een 10% grotere dichtheid dan lion.

[AwesomeKid123]

lichter, en meer capaciteit! Schitterende ontwikkeling, Ik ben zeer benieuwd naar de leeftijd van deze batterij. Gemiddelde Litium-ion batterij gaat 2/3 jaar mee. Dit gaat de goede kant op.