Inleiding
Inleiding
In laboratoria wordt al jaren onderzoek gedaan naar betere accutechniek. De componenten van onze gadgets kunnen steeds meer en worden alsmaar sneller en zuiniger, maar de accu's lijken behoorlijk achter te lopen bij al die ontwikkelingen.
De processors in laptops, tablets en smartphones worden met elke generatie aanzienlijk sneller; de Wet van Moore voor transistordichtheid en -afmetingen is misschien een van de bekendste stellingen in de technologiewereld. Processors, en socs als het om smartphones en tablets gaat, worden niet alleen steeds sneller, maar ook steeds zuiniger. Bovendien worden componenten steeds meer geïntegreerd. Vroeger waren losse chips nodig voor verschillende taken, maar tegenwoordig is veelal één chip voldoende. Ook opslagmedia, met natuurlijk vooral de sterke groei van flashgeheugen en steeds zuinigere chips met steeds grotere opslagcapaciteit, dragen bij aan een lager verbruik van de hardware.
Beeldschermen worden eveneens beter met elke nieuwe versie van producten; de resolutie wordt hoger en de kwaliteit neemt toe. De energieconsumptie van schermen is echter nog steeds aanzienlijk. Een hoge pixeldichtheid betekent dat de backlights fel moeten schijnen om voldoende helderheid te genereren.
De technologie om al deze hardware van energie te voorzien lijkt echter veel minder grote vorderingen gemaakt te hebben. Ook accu's worden gestaag beter, maar grote stappen zoals processors, socs, displays en opslag die zetten, lijken achterwege te blijven. Toch melden onderzoekers regelmatig belangrijke verbeteringen in accutechniek. Zo worden regelmatig doorbraken in capaciteit gemeld en moeten in laboratoria accu's te vinden zijn die binnen enkele seconden opgeladen kunnen worden. Tijd om eens in die accutechniek te duiken en de vraag te beantwoorden: waar blijft onze accu die supersnel oplaadt en gigantische hoeveelheden energie kan opslaan?
Om iets zinnigs over de toekomstige accutechnologie te kunnen zeggen moeten we eerst de werking van een accu bekijken. Iedereen weet dat een accu op te laden is, meestal met lithium werkt en elektrodes bevat. Maar hoe werken die elementen samen en ook: waarom is het moeilijk om een betere accu te ontwikkelen?
/i/1221060002.jpg?f=imagenormal)
Verschillende typen accu's
Een accu werkt door een stroom van elektronen los te maken en die van de negatieve naar de positieve elektrode te laten bewegen, waarbij de elektronen onderweg arbeid verrichten. Om het evenwicht te bewaren stromen er tegelijk intern positieve ionen de andere kant op. Er worden verschillende typen ionen gebruikt die afkomstig zijn van metaalverbindingen. Ook het medium waardoor de ionen bewegen kan verschillen. Tijdens het opladen wordt het proces omgekeerd en worden de ionen weer gebonden aan hun elektrode.
Bekende materialen die als elektrodes worden gebruikt, zijn nikkel en cadmium in de bekende nicad-batterijen. Een latere generatie batterijen met betere eigenschappen werd gevormd door nikkelmetaalhydride, dat cadmium vervangt. Naast een positieve en een negatieve elektrode is nog een component in accu's en batterijen van belang: het elektrolyt, waardoor de ionen zich kunnen bewegen.
Het gros van de accu's in consumentenelektronica als tablets, telefoons en laptops zijn lithium-ion- of lithiumpolymeer-accu's. Hier zorgen lithiumionen voor het ladingstransport, waarbij ze van een positieve lithiumcobaltoxide-elektrode naar een negatieve grafietelektrode bewegen. Het grootste verschil tussen beide typen is het gebruikte elektrolyt, waardoor de lithiumionen bewegen. Bij lithium-ion-accu's is dat een organisch oplosmiddel met lithiumionen, terwijl in lithiumpolymeercellen een vast materiaal als elektrolyt gebruikt wordt. Dit geeft meer flexibiliteit in de vormgeving van de accu's.
Naast de gebruikte materialen voor de positieve en negatieve elektrodes en het elektrolyt speelt een aantal andere factoren een rol bij de energie-inhoud, capaciteit en levensduur van een accucel. Het aantal cellen in een accu is uiteraard van belang, net als de afmetingen van de individuele cellen. Denk aan vier AA-batterijen die in serie gezet worden, of een autoaccu met zes cellen.
Accutype | Spanning | Energie-inhoud |
Loodaccu |
2,1V |
30-40Wh/kg |
Nicad-accu |
1,2V |
40Wh/kg |
NiMH-accu |
1,2V |
60Wh/kg |
Lithiumion/polymeer |
3,7V |
>200Wh/kg |
Een loodaccu levert per cel 2,1V en heeft een relatief lage energie per massa-eenheid, van ongeveer 108kJ per kilo of 30 tot 40 wattuur per kilo. Een nicad- of NiMH-accu heeft een lagere spanning, 1,2V, maar een hogere energie-inhoud, respectievelijk maximaal 40 en 60 wattuur per kilo accumateriaal. Lithiumaccu's hebben een werkspanning van 3,7V en een energie-inhoud van boven de 200 wattuur per kilo. Daarmee zijn ze veel aantrekkelijker voor consumentenelektronica.
Een groot nadeel is echter de levensduur van accucellen. Bij elke laadcyclus vormt het elektrolyt afzettingen die het vrije transport van ionen hinderen. Na verloop van tijd vermindert dit de capaciteit van de cellen. Ook de interne weerstand stijgt door deze laadcycli, waardoor minder stroom geleverd kan worden.
Verbeteringen op accugebied
Omdat steeds meer apparaten een steeds belangrijkere rol in het dagelijks leven spelen, is de vraag naar verbeterde accu's groot. Vroeger kon een laptop niet zonder netstroom, maar tegenwoordig wordt verwacht dat een volle dag op een laptopaccu kan worden gewerkt. Ook een smartphone of tablet moet, ondanks de veel krachtiger geworden hardware en een groter scherm, een flink aantal uren zonder netstroom kunnen.
Een grotere accu is een eenvoudige manier om meer capaciteit te leveren, maar hardware wordt juist kleiner en lichter, dus dat is geen echte optie. Wat wel een optie is, is het vergroten van de elektrodes waar de lithiumionen vanaf en naartoe stromen. Dat kan door de interne structuur, en zo het beschikbare reactieve oppervlak, te vergroten, bijvoorbeeld door ze op te rollen. Een groter oppervlak betekent immers meer beschikbare moleculen die ionen kunnen genereren en dus een grotere energie-inhoud.
Diverse onderzoeksgroepen hebben zich dan ook geconcentreerd op de elektrodes, waarbij vooral poreuze, driedimensionale structuren geproduceerd werden om zo veel mogelijk oppervlak voor de uitwisseling van ionen te realiseren. Dat is een veel handiger techniek dan het simpelweg groter maken van elektrodes of accu's en bovendien bespaart het gewicht.
Makkelijker gezegd dan gedaan
In het laboratorium is het vergroten van de elektrodeoppervlaktes al op legio verschillende manieren geprobeerd en ook gerealiseerd. Veel technieken zijn echter bijzonder arbeidsintensief en vergen diverse stappen om tot een poreuze elektrode te komen. Zo kan een lithografisch proces gebruikt worden om driedimensionale structuren te maken met een groot oppervlak, maar dat kost veel tijd. Ook het 'wegwassen' van materialen is een optie, maar hoe meer tussenstappen nodig zijn, des te duurder een proces wordt.
Voor commerciële toepassingen is het zaak een zo eenvoudig mogelijk productieproces te vinden, terwijl de resulterende elektrodes uiteraard wel voorspelbare eigenschappen moeten hebben. Een relatief nieuwe methode om de productie te vereenvoudigen, is zelfassemblage. Daarbij kunnen moleculen zodanig worden geproduceerd dat ze in een oplossing spontaan de gewenste structuren vormen.
Een stuk over elektronica, en in het bijzonder elektrodes, zou niet compleet zijn zonder een alinea over grafeen. Dit 'wondermateriaal' blijkt zich voor tal van toepassingen te lenen, zo ontdekken materiaalwetenschappers keer op keer. En aangezien grafeen eigenlijk koolstof is, werkt het prima als elektrode.
De bijna tweedimensionale structuur van grafeen maakt het realiseren van een groot oppervlak bijna eenvoudig. De kippengaasstructuur van grafeen bestaat uit een enkele laag koolstofatomen en geleidt elektriciteit zeer goed. Onderzoekers hebben grafeen al eens gecombineerd met koolstofnanobuisjes om een nog groter driedimensionaal oppervlak te krijgen. Per gram van deze grafeen-nanobuiselektrodes wisten onderzoekers een oppervlakte van maar liefst tweeduizend vierkante meter te realiseren. Het enige probleem is de productie; grafeen en koolstofnanobuisjes zijn lastig in grote hoeveelheden te produceren.

Ook de anode is voor verbetering vatbaar. In de meeste accu's wordt deze van grafiet gemaakt, maar grafiet is niet ideaal voor de opname van lithium. Grafeen neemt dankzij zijn grote oppervlakte beter ionen op, maar het goedkopere silicium zou dat nog beter kunnen. Dat materiaal zwelt echter op als het ionen opneemt, maar dankzij een polymeer zou dat weer binnen de perken gehouden kunnen worden.
Andere verbeteringen
Een elektrode is niet de enige component in een accu. Ook met de overige materialen kan winst behaald worden. De meest voor verbetering vatbare component is het elektrolyt. Zo blijkt het toevoegen van germanium aan het elektrolyt in vaste accu's een verbetering in de geleiding van lithiumionen op te leveren. Verbeteringen aan het elektrolyt die de mobiliteit van lithiumionen vergroten, worden dan ook onderzocht.
Ook op het gebied van miniaturisatie wordt volop onderzoek gedaan. Thin film-technieken moeten een groot oppervlak in zeer compacte accu's realiseren, maar ook 3d-printers kunnen wellicht een rol spelen. Onderzoekers hebben al aangetoond accu's te kunnen printen die dankzij de driedimensionale elektrodestructuren een hogere capaciteit bieden dan thin film-varianten. Zo'n techniek is echter langzaam en niet geschikt voor massaproductie van grotere accu's.

Compleet andere accutechnieken, zoals een luchtaccu, worden eveneens ontwikkeld. Zo'n accu gebruikt zuurstof uit de lucht als lithiumoxidator, in plaats van een vaste kathode. Omdat geen gewicht aan kathodemateriaal 'verspild' hoeft te worden, kan de energiedichtheid van een lithiumluchtaccu groter zijn dan die van een traditionele lithium-ion-accu. Veel commerciële toepassingen van lithiumluchtaccu's zijn er nog niet; de techniek wordt vooral in laboratoria ontwikkeld.
De brandstofcel is nog een techniek die al jaren in ontwikkeling is, maar vooralsnog niet de traditionele accu vervangen heeft. In een brandstofcel wordt een brandstof in waterstofionen gesplitst en wordt tijdens het binden van waterstofionen met zuurstof tot water
energie gewonnen. Inmiddels zijn brandstofcellen die met vaste waterstofleveranciers werken in ontwikkeling. Cellen die met gasvullingen of vloeistoffen werken, zijn echter ook mogelijk. Mondjesmaat komen accu's op basis van brandstofcellen op de markt, maar de revolutie die het beloofde, heeft zich nog niet voltrokken.
Snelladen
Een veelbelovende techniek om snelladende accu's te maken, komt van condensators. Accu's die eigenlijk grote, krachtige condensators zijn, ook wel ultracaps of ultracapacitors genoemd, zouden binnen enkele seconden opgeladen kunnen worden. Dergelijke ultracaps zijn er in de regel echter op gemaakt hun lading ook weer zeer snel af te geven, wat voor traditionele accu's minder gewenst is en bovendien is hun capaciteit lager. Onderzoekers trachten daarom ultracap-accu's te maken die het beste van beide werelden combineren.
Wanneer dan?
Het volgende is een beeld dat zich bij veel alternatieve technieken voordoet: de ideeën zijn geweldig en volgens de onderzoekers bieden hun accu's legio voordelen, maar een vertaalslag van laboratorium naar massaproductie lijkt lastig. Veel technieken die veelbelovend leken en jaren geleden werden ontwikkeld, zijn nog nauwelijks in accu's terug te vinden.
Dat is ergens wel logisch; een onderzoeksgroep die een doorbraak claimt, kan nu eenmaal op meer subsidie en andere financieringen rekenen dan een groep die realistischer is. Een accutechniek die over drie jaar de accucapaciteit in smartphones kan verdubbelen, klinkt aantrekkelijker dan een techniek die, na tien jaar verder onderzoek, een tien procent langere levensduur van elektrodes belooft. Toch zijn dat soort incrementele, kleine stapjes de vorderingen die in de nieuwste accu's te vinden zijn. Vergeleken met een accu van tien jaar geleden zijn er dus wel degelijk verbeteringen.
Een van de technieken die een verandering teweeggebracht hebben, is de vorm van de accucellen. Traditioneel waren dat cilindrische cellen, maar prismatische cellen zijn niet alleen dunner, ze zijn ook goedkoper en lichter. Dat is dus ideaal voor ultrabooks en andere lichte laptops en tablets, waarvoor ze inmiddels gebruikt worden.
Los van de ontwikkelingen op relatief traditioneel accugebied zijn er ook exotischere researchprogramma's, waarbij gezocht wordt naar alternatieve accutechnieken. Zo wordt onder meer gebruikgemaakt van bacteriële enzymen en virussen om energie op te slaan en weer af te geven. Ook bomen zijn inmiddels al ingezet om elektrodes mee te maken.
Op de accu die binnen enkele seconden oplaadt en dagenlang onze elektronica kan aandrijven, zullen we dus nog wel even moeten wachten, maar het onderzoek is in volle gang en de verbeteringen komen met kleine stapjes, maar ze komen wel.