Elektrische auto’s hebben het nog steeds moeilijk. Ze zijn te duur (onder meer door de hoge kosten voor energieiopslag) en de actieradius is te klein. Maar er is nu een doorbraak naar krachtigere en goedkopere lithium zwavel batterijen. Kopers moeten nog steeds duizenden euro’s op tafel leggen voor de accu’s en de zoektocht naar een laadstation begint vaak al na 100 km. Onderzoekers werken daarom aan efficiëntere technologieën.
De lithiumzwavelbatterij is veelbelovend. Deze is beduidend krachtiger en goedkoper dan de tot nu toe bekende lithiumion-variant. Door de geringe levensduur is deze echter nog niet in de auto te vinden. Bij testen kwam onderzoekers nauwelijks boven de 200 cycli uit.
Dat zou in afzienbare tijd kunnen veranderen. Wetenschappers bij het Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden hebben een nieuw batterijontwerp ontwikkeld, dat het aantal oplaadcycli van lithiumzwavelaccu’s met een factor zeven omhoog brengt.
Anode en kathode
Door een speciale combinatie van anode- en kathodemateriaal konden ze de levensduur van de lithiumzwavelknoopcellen oprekken tot 1400 cycli. De anode van het prototype bestaat niet zoals gebruikelijk uit metallisch lithium, maar uit een silicium-koolstof-verbinding. Deze is veel stabieler omdat het bij elke laadcyclus minder verandert dan het lithium metaal.
Hoe meer het anodemateriaal vervormt, des te meer vermengt het zich met de vloeibare elektrolyt die tussen anode en kathode zit en de stroom transporteert. Bij dit proces ontleedt de vloeistof zich in gas en vaste stoffen. De batterij droogt uit. In het extreme geval groeit de anode tot aan de kathode en zorgt door een kortsluiting met een complete uitval van de batterij.
De wisselwerking tussen de anode en de kathode is cruciaal voor de levensduur en prestaties van de batterij. Bij het lithiumzwavelmodel vormt elementair zwavel de kathode. Zwavel is in vergelijking met het beperkt beschikbare kobalt (wordt hoofdzakelijk in lithiumionen-batterijen gebruikt als kathodemateriaal) in nagenoeg onbeperkte hoeveelheden beschikbaar is en daardoor goedkoper. Maar er treedt ook wisselwerking op tussen de vloeibare elektrolyt en het zwavel. De prestaties van de batterij dalen; in het ergste geval verliest die de volledige capaciteit.
De onderzoekers bij het IWS gebruiken poreuze koolstof om dit proces te vertragen. Ze hebben poriën in de koolstof zo aangepast, dat zwavel zich daar kan inbedden en zich langzamer met de elektrolyt verbindt. De onderzoekers hebben bovendien een methode ontwikkeld om deze speciale kathoden te produceren.
Twee keer zo ver
De experts van het IWS meten de prestaties van een batterij in Watt-uren per kilogram (Wh/kg). Van de lithiumzwavelbatterijen verwachten ze langdurig een energiedichtheid tot 600 Wh/kg. Ter vergelijking: de momenteel gebruikte lithiumion-accu’s komen gemiddeld op 250 Wh/kg. Realistisch voor de middellange termijn zijn getallen tot 500 Wh/kg. Dat betekent, dat men bij een gelijk batterijgewicht ongeveer twee keer zover kan rijden.
Omgekeerd zijn er aanmerkelijk lichtere batterijmodellen mogelijk. Dat is niet alleen interessant voor de producent van auto’s maar ook voor smartphones: de mobiele alleskunners zouden met een lichtere accu beduidend minder zwaar zijn. Misschien is met lithium zwavel zelfs elektrisch vliegen mogelijk.
Maar dan moet er nog veel gebeuren.
Op dit moment werken de wetenschappers aan het verder optimaliseren van materialen en grotere modellen voor batterijen. Ook willen ze kijken naar geschikte productiemethoden. Want alleen op die manier bestaat de kans, dat de technologie massaal op de markt komt en het aantal elektro-auto’s op de weg belangrijk groter wordt.