LeydenJar heeft een manier gevonden om de huidige batterijcapaciteit met maar liefst 70 procent te verhogen. Hoe kreeg het bedrijf dit voor elkaar? En waar gaat het naartoe met batterijtechnologie? Innovation Origins gaat eens dieper in op het nieuws van vorige week over de anodes van LeydenJar.
LeydenJar, een spin-off van TNO, maakt geen complete lithiumbatterijen, maar produceert de anodes voor het geheel. Dit is de negatieve pool waar de stroom de batterij binnenkomt. Traditioneel worden deze anodes gemaakt van koolstof. “Meestal is dat grafiet, dat je ook kent van je potlood. Het heeft een honingraatstructuur waarin lithium-ionen worden opgeslagen”, begint Erik Kelder, batterij-onderzoeker verbonden aan de TU Delft.
“Als een batterij gebruikt wordt, stromen deze ionen via een elektrolyt, een geleidende gel-achtige vloeistof met een hoge concentratie zout naar de kathode, de pluspool. Om de polen te scheiden zit er in de vloeistof een soort papiertje. Dit papiertje laat wel de ionen door, maar niet de elektroden. Laad je een batterij op, dan gaan de ionen de andere richting op”, legt Kelder de werking van de batterij uit.
Grens aan opslag in koolstof
Maar aan de opslag van lithium-ionen in koolstof zit een grens: “Door de honingraatstructuur te veranderen, kunnen we wel iets meer ionen in het koolstof opslaan. Maar dit is beperkt. Het verschilt een beetje per type, maar over het algemeen spreek je van een capaciteit van 372 milli-Ampère-uur per gram die je in koolstof kunt laden. Dat zal nooit heel veel meer worden. Daarom zoeken we naar andere materialen of compleet nieuwe systemen”, aldus Kelder.
Zo’n nieuw materiaal heeft LeydenJar gevonden. Het bedrijf vervangt koolstof voor silicium dat veel meer lithium kan opslaan waardoor de energiedichtheid van de batterij omhoog gaat. Maar anders dan koolstof, zet silicium uit als het lithium-ionen opslaat. Hierdoor gaat het stuk. Ook hier heeft LeydenJar iets op gevonden. “In een vacuümkamer groeien we met plasma – een geïoniseerd gas dat de elektroden activeert – een laagje silicium op koper. Het mooie van dit laagje is dat het groeit in een soort sponsstructuur, er zit dus ruimte tussen de kolommen waar de lithium-ionen terecht kunnen”, legt ceo Christian Rood van LeydenJar uit.
Dat levert dus 70 procent meer capaciteit op, zo’n 1350 Wattuur per liter. Ter vergelijking: een Iphone 11 Pro Max heeft op celniveau een capaciteit van ongeveer 625 Wattuur per liter, aldus Rood. “Wat wij doen is dus twee keer zoveel. Maar de energiedichtheid van de batterij is niet alleen afhankelijk van de anode, ook de kathode speelt mee. Als je kijkt naar die 1350 Wattuur per liter, hebben we niet het beste kathode materiaal op de markt gebruikt. Komend kwartaal verwachten we een batterij in ons batterijlab te kunnen maken die nog eens 10 procent meer capaciteit heeft.”
Anode verder verbeteren
De komende jaren valt er nog genoeg te verbeteren aan het anodemateriaal, volgens Rood. “Mensen gebruiken een Iphone zo’n twee tot drie jaar. Na vijfhonderd keer volledig ontladen, moet de batterij nog zo’n 80 procent van zijn oorspronkelijke capaciteit hebben. Voor elektrische auto’s moet dit 800 tot 1000 keer zijn. Wij zitten nu rond de 200 keer, hier kunnen we dus nog veel verbeteren. Hiervoor kijken we naar de siliciumstructuur, naar de kolommen en poriën.”
Rood: “Maar ook in de elektrolytenvloeistof valt nog veel winst te halen. Deze vloeistof dient als een taxi voor ionen, wij moeten ervoor zorgen dat er onderweg minder taxi’s crashen en de file verminderen. Om de elektrolytenvloeistof efficiënter te maken doen we onderzoek met Nederlandse en Duitse partijen”, legt Rood uit. Volgend jaar doet LeydenJar al de eerste veiligheidstesten voor anodemateriaal op commerciële schaal. “Binnen twee jaar willen in de automotive-batterijen zitten en voor die tijd nog in consumenten elektronica.”
Naast de verhoogde capaciteit hebben silliciumanodes een ander voordeel: tijdens de productie wordt zo’n 62 procent minder CO2 uitgestoten. Rood: “Grafiet moet je uit de grond halen, wij gebruiken mono silaan gas. Die grondstof heeft een veel lagere CO2-footprint. Ook onze productie is schoner. Met koolstofanodes moet het koperfolie in energieslurpende ovens en op de juiste dikte gewalst worden. Dat is met onze methode niet nodig.”
Alternatieven
Bij de TU Delft zoeken ze naar alternatieven voor de lithiumbatterij, maar volgens Kelder is dit een tijdrovend proces. “John Goodenough, Stanley Whittingham en Akira Yoshino die in 2019 de Nobelprijs voor de ontwikkeling van lithium-ion-batterijen kregen, zijn hier al sinds de jaren 80 mee bezig. We zijn dertig jaar verder en nu zie je dat dit systeem helemaal is geaccepteerd. Zo denk ik dat de introductie van een nieuw type batterij nog 10 tot 20 jaar duurt. Het werk aan lithium-ion batterijen, zoals dat van LeydenJar zal nog wel aanhouden.”
En hoe zit het dan met de solid-state battery waar de overheid onlangs in investeerde? “Voor de man op de straat is dat een nieuwe batterij, maar het werkt volgens hetzelfde principe. Het enige verschil is dat je de geleidende vloeistof vervangt voor een vaste stof. Van die organische vloeistoffen en zouten weten we hoe goed ze geleiden. Dat is al veel onderzocht. Waar we de geleiding nog niet zo goed van weten zijn keramische of glazen membranen – die de vloeistof moeten vervangen. Ook zijn deze erg kostbaar te produceren. Zaak is dus om de geleiding te verbeteren en die kostprijs naar beneden te krijgen. Het voordeel is dat deze vaste stof dunner gemaakt kan worden en daarmee effectief lichter is dan de vloeistof. Bovendien is deze niet brandbaar.”
Andere batterijen voor specifieke behoeftes
Volgens Kelder is dat vooral belangrijk in het vervoer. “Met een lichtere accu kan een elektrische auto verder komen en wordt vervoer veiliger. Je wilt niet dat je auto na een botsing in de brand vliegt. Vroeger vroeg men: ‘wanneer komt er eindelijk een goede batterij?’ Maar ze gingen eraan voorbij dat je voor specifieke behoeftes andere soorten batterijen nodig hebt. Dat besef is er tegenwoordig veel meer.”
Wanneer ruimte en gewicht minder belangrijk wordt, kun je volgens Kelder denken aan energie-opslag in water. “In het systeem van het bedrijf Aquabattery werken ze met zouten waar je energie kunt opslaan en via osmose onttrekken. Hierbij gaat weinig energie verloren en in theorie kun je dit eindeloos blijven herhalen. En stukken schoner en veiliger voor opslag in wijken bijvoorbeeld..”
