Lithium in accu's

Het is eigenlijk minstens zo interessant om te kijken naar de andere kant van de accu, de anode. Grafiet, of eigenlijk laagjes van koolstof, wordt daarvoor nu veelal als materiaal gebruikt. Lithium kan zich daaraan gemakkelijk hechten. Grafiet heeft stabiele elektrochemische prestaties en maakt een lange levensduur mogelijk, maar de capaciteit kan beter. In grafiet kan één lithiumatoom per zes koolstofatomen worden opgenomen.

Silicium

De capaciteit van grafiet kan worden verhoogd door er bijvoorbeeld siliciumnanodeeltjes aan toe te voegen. Een siliciumatoom kan meer dan één lithiumion binden. Het kan dus veel meer lithium bij zich houden. In theorie kan een anode van silicium twaalf keer zoveel lithium per kilogram bevatten en dus een veel hogere energiedichtheid bieden. Het lastige is dat silicium daarbij uitzet; het verandert dan tot 300 procent van volume. Daar wordt volgens Huijben momenteel veel onderzoek naar gedaan: wanneer is het optimum bereikt van een bepaalde hoeveelheid siliciumnanodeeltjes, zodat de energieverbeteringen zichtbaar zijn, maar de problemen van het uitzetten binnen de perken blijven.

Huijben weet niet precies hoe groot het energievoordeel is als silicium op deze manier wordt toegepast, maar hij denkt dat het gaat om ongeveer 25 procent. "Hoe meer silicium je erin stopt, hoe hoger de energie. Maar het mag niet zo zijn dat je er zoveel in hebt zitten dat er voortdurend sprake is van een enorme volumeverandering tijdens het ontladen en opladen. Dan degradeert de batterij. De meeste ontwikkelingen laten zien dat je nauwelijks volumeverandering hebt als je het materiaal op een speciale manier produceert en verwerkt en je slechts een bepaalde hoeveelheid silicium toevoegt."

Het Amerikaanse bedrijf OneD Battery Sciences claimt dat zijn siliciumnanodraadjes beter werken dan siliciumnanodeeltjes.

Tegelijkertijd nuanceert Huijben de voordelige effecten van silicium in de anode. We hebben het hier namelijk puur over de anodekant. "Dat kleine gedeelte ben je drastisch aan het veranderen, maar de rest van de batterij heeft nog hetzelfde grote gewicht en volume. Dus ook al kun je de energiedichtheid aan de anodekant enorm verbeteren, dan nog blijft het effect op de totale batterij beperkt."

Toch is de kans groot dat we op korte termijn zien dat silicium in accu's wordt toegepast. Elke winst is ten slotte interessant voor producenten. Huijben denkt dat de toepassing van silicium in de komende jaren gaat gebeuren. Hij wijst erop dat er wereldwijd bedrijven zijn die hebben aangetoond dat dit werkt. Er worden al strategische samenwerkingsverbanden tussen batterijproducenten en bijvoorbeeld de auto-industrie opgezet. "Het is nu afwachten of we volgend jaar of het jaar erna gaan zien dat silicium wordt toegepast", zegt Huijben. "De impact van het invoegen ervan in de batterijproductie lijkt redelijk beperkt en ze moeten eerst nog aantonen dat ze miljoenen batterijen kunnen produceren van precies dezelfde kwaliteit en levensduur."

Lithiummetaal

Een volgende stap zou het vervangen van het vloeistofelektrolyt door vastestofelektrolyt zijn, ofwel solid-stateaccu's. In de ontwikkeling hiervan worden behoorlijke stappen gemaakt. Door het achterwege laten van de vloeistof gaat het brandbaarheidsrisico omlaag en is ook geen separator meer nodig. Dat betekent dat er meer ruimte beschikbaar komt, waarmee de energiedichtheid omhoog kan. Dat hangt samen met het feit dat bij solid-stateaccu's de cellen niet meer individueel hoeven te worden verpakt, wat bipolar stacking wordt genoemd. Het vooruitzicht dat smartphones of laptops langer meegaan of nog dunner kunnen worden, of elektrische auto's die verder komen of minder gewicht mee hoeven te sjouwen, is erg aanlokkelijk. Wat daar ook een bijdrage aan levert, is dat de anode bij solid-stateaccu's weer op een andere manier is samengesteld: lithiummetaal als vervanger voor grafiet. Puur lithiummetaal geeft de allerhoogste dichtheid om lithium in op te slaan. Je hebt dan maar een beetje lithium nodig om het heen en weer naar de kathode te sturen.

Een video over het probleem van dendrieten

Het lastige van lithiummetaal is dat het momenteel nog niet stabiel genoeg is. Het lithium vanaf de kathode hecht zich niet alleen maar aan het metaal om vervolgens weer terug te gaan. Er gebeuren dan allerlei ongewenste dingen, zoals de vorming van dendrieten. Dit zijn vinger- of boomachtige structuren die worden gevormd door zich ophopende lithiumatomen. Zodra deze structuren de scheidingswand in een cel doorboren, wordt als het ware een brug gevormd tussen de anode en de kathode en kan kortsluiting ontstaan. Bij reguliere lithiumionaccu's wordt dat effect voorkomen door grafiet te gebruiken als anode. Dat leidt tot een lagere capaciteit. Bij solid-stateaccu's kan die capaciteit flink omhoog, maar is juist de stabiliteit het probleem.