TU Delft krijgt beurs voor batterij-onderzoek

De TU Delft gaat onderzoek doen naar batterijen. De universiteit wil onder meer achterhalen waarom de bereikte opslagcapaciteit van de huidige generatie batterijen achterblijft bij de capaciteit die theoretisch haalbaar moet zijn. Dr. ir. Marnix Wagemaker, die verbonden is aan het studiecentrum voor chemische energie-opslag, krijgt een onderzoeksbeurs van 1,5 miljoen euro vanuit NWO (vici-financiering) en daar bovenop 250.000 euro van betrokken bedrijven.

‘Om betere batterijen te maken hebben onderzoekers de laatste jaren vooral nieuwe elektroden en elektrolyt-materialen ontwikkeld. Dergelijk onderzoek heeft zijn vruchten afgeworpen, maar vreemd genoeg is er nog veel onbekend over de werking van de nieuwe materialen in batterijen. De achterliggende reden is dat er geen methoden waren om de processen in werkende batterijen te volgen’, licht de universiteit toe.

Volgens het nieuwsbericht over de subsidie voor het onderzoek wil Marnix Wagemaker de werking van complexe processen ontrafelen door middel van een reeks nieuwe, experimentele technieken, zoals nmr-spectroscopie, synchotron en neutronenstraling. ‘Ik wil hiermee tot een fundamenteel begrip komen van waarom sommige chemische processen in batterijen falen, terwijl andere succesvol zijn’, licht de onderzoeker toe. Volgens Wagemaker hebben de beoogde methoden het bijkomende voordeel dat ze niet-destructief zijn.

Hij is ook geïnteresseerd in de wisselwerking tussen processen die zich op de atomaire schaal afspelen en processen op de grotere, ‘mesoscopische’ schaal. ‘Een dergelijke geïntegreerde aanpak kan leiden tot een theoretisch model dat voorspelt waar de bottleneck in de prestaties van batterij zit’, zegt Wagemaker. ‘Met die kennis kunnen dan weer betere batterijen en materialen ontworpen worden.’

Betere Li-ion batterijen en alternatieven

Voor de accu’s van mobiele ict-apparatuur, zoals laptops, smartphones en tablets worden momenteel lithium-ion batterijen gebruikt. Volgens dr. Erik Kelder van de groep Fundamental Aspects of Materials and Energy (FAME) van de TU zit er in die standaardtechniek zeker nog wel wat ruimte voor de verbetering van de energiedichtheid van de batterijen. ‘Maar dan heb je het misschien maximaal over een factor 1,5 verbetering. Wil je een écht grote slag maken in energiedichtheid, dan moet er gewoon een alternatief komen voor de Li-ion batterij’, stelt hij in het artikel ‘Op zoek naar betere Li-ion batterijen en alternatieven’

Het batterij-onderzoek is volgens Kelder de afgelopen jaren sterk gegroeid en is ook strategisch steeds meer van belang. De grote driver bij batterijen zijn de mobiele toepassingen. Maar batterijen zijn en worden ook belangrijke hulpmiddelen voor andere toepassingen dan mobiele elektronica, bijvoorbeeld elektrische voertuigen en menselijke implantaten. Strategisch gezien heeft Europa maar een heel klein deel van de wereldproductie in handen. China,  Zuid-Korea, Japan en de VS zijn duidelijk belangrijkere spelers

Speciaal lab

Om alternatieven te ontwikkelen is TU Delft van start gegaan met een speciaal lab waar onderzoekteams werken aan de volgende generatie batterijen. Volgens Kelder liggen er momenteel wetenschappelijk gezien veel opties op de tafel. ‘Er zijn allerlei concepten in onderzoek. Zelf denk ik dat een Li-zwavel variant misschien een tussenoplossing kan zijn op weg naar een hele nieuwe generatie batterijen.’

Met een andere insteek, zoals het vervangen van lithium door natrium, win je volgens Kelder niet veel. ‘Dan kun je beter kijken naar het vervangen van lithium door bijvoorbeeld calcium of magnesium. En verder zijn er mogelijke varianten met onder meer zink, lucht en water.’ 

Het is volgens Kelder moeilijk te voorspellen wat de beste optie gaat worden. Belangrijk is te beseffen dat al de genoemde alternatieven waarschijnlijk nog ruim de tijd nodig hebben om rijp te worden voor echte toepassing en daarmee een realistische bedreiging te vormen voor de Li-ion batterijen. ‘Dat kan misschien nog wel decennia duren. Er is vooral nog veel fundamenteel materialenonderzoek nodig.’