In een wekelijkse column, afwisselend geschreven door Maarten Steinbuch, Mary Fiers, Carlo van de Weijer, Lucien Engelen, Tessie Hartjes en Auke Hoekstra, probeert Innovation Origins uit te vinden hoe de toekomst eruit zal zien. De zes columnisten, af en toe aangevuld met gastbloggers, zijn allemaal op hun eigen manier bezig met oplossingen voor de problemen van onze tijd. Zodat Morgen Beter wordt. Deze zondag is Auke Hoekstra aan de beurt, over de kracht van batterijen. Hier alle eerdere afleveringen.
Voor het eerst in de menselijke geschiedenis gaan we onze energie niet meer halen uit het verbranden van de inventaris van de aarde. In plaats daarvan gaan we overschakelen op elektronenpompen die direct aangedreven worden door die onuitputtelijke energiebron hoog in de lucht. Alleen wat doen we als de zon niet schijnt en de wind niet waait? En hoe nemen we die zonne-energie mee voor onderweg? Batterijen bieden uitkomst.
Afgelopen week tweette ik over het plan van Noorwegen om voor binnenlands vliegverkeer helemaal over te schakelen op elektrisch vliegtuigen op batterijen. Volgens mij is dat helemaal logisch.
En dit weekend werk ik aan een rapport voor het overschakelen van Nederlandse dieseltreinen naar batterijtreinen: ook logisch. Toch merk ik dat veel mensen dat nog niet snappen. Daarom dacht ik: laat ik spelenderwijs begrijpelijk maken hoe het zit met al die fantastische batterij-ontwikkelingen.
In batterijen wordt al het werk gedaan door zogenaamde ionen. Bij lithium batterijen zijn dat lithium ionen. Voor elk elektron dat rondgepompt wordt buiten de batterij zwemt er een lithium ion de andere kant op binnenin de batterij. Voor een batterij van één kWh waarvan de cellen op 3.7 volt werken heb je maar 70 gram actieve lithium ionen nodig. Dus voor de zwaarste Tesla batterij heb je maar 7 kilo lithium nodig en daarmee kan je een paar duizend keer 350 kilometer ver rijden, waarna je het kan recyclen! Vergelijk dat eens met benzine. Om dezelfde afstand af te leggen heb je 25 liter benzine nodig en dat een paar duizend keer. En in plaats van benzine te recyclen heb je vele tonnen CO2-emissies.
Helaas heeft die 7 kilo met hardwerkende lithium ionen ook een omgeving nodig om in te werken en dat maakt de batterij op dit moment nog meer dan vijftig keer zwaarder dan de lithium ionen die het werk doen. Daarom moeten we het nu hebben over drie zaken: 1) de ionen hun thuis, 2) hun vakantiebestemming en 3) de gevaarlijke weg daartussen. Als je over doorbraken hoort gaat het bijna altijd maar over 1 van die 3 dus het is superhandig als je ze uit elkaar weet te houden.
De positieve elektrode: de geliefde thuisbasis van de ionen
De thuisbasis van de altijd positieve lithium ionen is de positieve elektrode die op het plaatje links staat. Daar zijn ze verreweg het liefst. Dit noemen we de kathode. (Officieel is dit alleen de kathode als de batterij zich ontlaadt. Als de batterij opgeladen wordt is het ineens de anode. Heel verwarrend. Om de verwarring binnen de perken te houden noemen we de positieve elektrode bij lithium batterijen altijd de kathode.)
We zijn continu op zoek naar kathode materialen die lichter zijn en vaak wordt de batterij hiernaar genoemd. Zo hadden we eerst de LFP batterij waarin ijzer zat maar toen lukte het ons om dat te vervangen door de lichtere NCM of NCA kathode. Voor de nabije toekomst lijkt lithium zwavel de perfecte kathode omdat hij veel lichter en goedkoper is terwijl zwavel overvloedig beschikbaar is. Als dat gebeurt staan alle batterijvoorspellingen over prijzen en gewichten op hun kop.
De anode: de gehate airbnb van de ionen
Maar als we de batterij opladen zetten we het huis van de ionen onder stroom en worden ze gedwongen hun huis te verlaten en naar de negatieve elektrode van de batterij te zwemmen: hun gehate Airbnb genaamd anode. Ook die willen we lichter maken. Als je bijvoorbeeld hoort dat we overschakelen van grafiet naar silicium omdat dit veel lichter is, gaat het over de anode. En ooit wordt de anode misschien van het wondermateriaal grafeen. Ook dat zou alles op zijn kop zetten.
De elektrolyt: de gevaarlijke weg die de ionen moet afleggen
Dat batterijen langzaam slechter worden komt deels door het verval dat alle materiaal met de tijd ondergaat, zeker op hogere temperaturen. Maar het komt vooral omdat de reis van kathode naar anode vol met gevaren zit waardoor steeds meer ionen de reis niet meer af kunnen maken en onderweg stranden. Die reis ondernemen ze door het materiaal dat de kathode en anode van elkaar scheidt: de elektrolyt.
Als je hoort over problemen met slijtage en brand in batterijen heeft dat bijna altijd te maken met de elektrolyt. Er is een beweging aan de gang naar “solid state” batterijen waarin dit elektrolyt niet langer een vloeistof is maar een vaste stof. Nu nog een polymeer (plastic) maar straks waarschijnlijk keramisch materiaal. Als we die overstap gemaakt hebben gaat een batterij veel langer mee en vliegt hij zelfs in de meest extreme situaties nooit meer in de brand.
En om terug te komen op dat vliegtuig: met de stormachtige ontwikkelingen op batterijgebied ben ik ervan overtuigd dat niet alleen auto’s, trucks en dieseltreinen maar ook de meeste vliegtuigen gaan overschakelen op schone, stille en duurzame elektriciteit. Het potentieel van batterijen is waarlijk ongelooflijk.
