Stel je een accu voor waarmee je elektrische auto na één keer laden 1000, 1500 of zelfs 2000 kilometer ver komt – en die goedkoper, lichter en milieuvriendelijker is dan de lithiumionaccu’s en -batterijen in de huidige elektrische auto’s, computers, smartphones en andere apparatuur.
Zo’n accu is binnen bereik nu wetenschappers erin geslaagd zijn precies de juiste cocktail te mengen van lithium, zwavel en – een snufje suiker.
Het resultaat is de lithiumzwavelaccu, waar onderzoekers al naar uitkijken sinds 1962, toen hij ontwikkeld en gepatenteerd werd. Maar pas nu, 60 jaar later, kan de accu het dagelijks leven in gaan.
De onderzoekers achter de doorbraak van Monash University in Australië steken de loftrompet over de mogelijkheden van de lithiumzwavelaccu.
‘In nog geen tien jaar zou de technologie kunnen leiden tot voertuigen als elektrische bussen en vrachtwagens die van Melbourne naar Sydney (circa 880 kilometer, red.) rijden zonder te hoeven worden opgeladen,’ voorspelt professor Mainak Majumder.
Het prototype van de lithiumzwavelaccu van Monash University laat zien dat een 60 jaar oude droom werkelijkheid kan worden.
Opvolger van 30 jaar oud succes
De nieuwe accu zal bij zijn verschijning op de markt een welkome vervanger zijn van de lithiumionaccu’s die ons sinds de jaren 1990 hebben gediend.
In principe werken de twee accu’s hetzelfde. Ze bevatten twee elektroden, gescheiden door een elektrolyt: een vloeistof waar ionen wel en elektronen niet doorheen kunnen. De ionen zijn atomen die een elektron hebben afgestaan. Als we de accu opladen, trekken de positief geladen ionen van de lithiumelektrode naar de andere elektrode, meestal van grafiet of koolstof. Hier worden de ionen opgeslagen in holtes tussen de koolstofatomen.
Als we de accu gebruiken en hij ontlaadt, gaat het proces de andere kant op. Ook nu bewegen alleen de ionen door de vloeistof in de accu. Maar draden die met de elektroden verbonden zijn, laten de losse elektronen uit de accu door naar het circuit dat de accu moet aandrijven – zoals de motor van een elektrische auto.
Hoe meer ionen de accu in de tweede elektrode kwijt kan, hoe hoger de energiedichtheid: de maat voor de hoeveelheid vermogen die de accu kan opslaan.
Zwavel comprimeert accu-energie
1. Ionen gaan heen en weer tussen elektroden
Als we een lithiumionaccu opladen, verplaatsen we elektronen van de ene elektrode naar de andere. Hierdoor trekken positief geladen ionen van de lithiumelektrode naar de andere elektrode, meestal van grafiet, ofwel koolstof.
2. Holtes in de elektrode slaan ionen op
In de koolstofelektrode hopen de lithiumionen zich op in holtes tussen de koolstofatomen, tot we stroom uit de batterij halen. De elektrode kan niet onbeperkt ionen kwijt, want er zijn twee koolstofatomen nodig om één ion te binden.
3. Zwavel bindt meer ionen dan koolstof
In de lithiumzwavelaccu bewegen de ionen in tegengestelde richting tussen de elektroden. Maar elk zwavelatoom bindt twee ionen, wat de energiedichtheid verhoogt. Zo krijgt de accu tot wel vijf keer zo veel capaciteit.
De energiedichtheid van een zwavelelektrode is tot vijfmaal zo groot als die van de grafietelektroden in lithiumionaccu’s. En daarom kijken onderzoekers al tientallen jaren uit naar de lithiumzwavelaccu.
Het probleem was de duurzaamheid. Na vele malen opladen en ontladen van de lithiumzwavelaccu zet de zwavel uit en trekt hij samen, waardoor de elektrode na korte tijd zal barsten. De onderzoekers waren er tot dusver dan ook niet in geslaagd meer dan circa 50 laadcycli uit de accu te persen. Bovendien worden de lithiumzwavelaccu’s geplaagd door een andere inherente stoornis die hun duurzaamheid beperkt.
Terwijl de lithiumionen heen en weer bewegen tussen de elektroden, vormen sommige ervan chemische verbindingen met de zwavel, waardoor polysulfiden ontstaan.
Dit betekent dat de ionen een deel van de zwavel terugslepen naar de lithiumelektrode, waar hij niet thuishoort. De zwavel zet zich af op de elektrode als een aanslag, die na verloop van tijd de lithiumelektrode aantast en het vermogen en de levensduur van de accu vermindert.
Suikersupplement lost het op
Beide problemen lijken nu eindelijk opgelost door de eenvoudige remedie van de Australische onderzoekers: ze voegden een bindmiddel van glucose, ofwel suiker, aan de zwavelelektrode toe.
Het probleem met lithiumzwavelaccu’s is dat er polysulfiden neerslaan op de lithiumelektrode (links), wat de beweging van de ionen remt. Een suikersupplement lost het probleem op (r).
Door de toevoeging van suiker vormt zwavel een nieuwe structuur, die hem minder kwetsbaar maakt en meer ruimte biedt voor de lithiumionen om zich aan de elektrode te binden. Tegelijk blijkt uit experimenten dat de suiker de vorming van polysulfiden remt, waardoor veel minder aanslag op de lithiumelektrode ontstaat.
Samen betekenen de twee effecten dat het prototype zo’n 1000 laadcycli kan doorstaan, waarmee de accu op hetzelfde niveau komt als een traditionele lithiumionaccu.
De Australische onderzoekers ontleenden de suikertruc aan een onderzoeksartikel uit 1988. Bij toeval stuitte een van de promovendi van de universiteit, Yingyi Huang, op het stuk, dat beschrijft hoe suiker zwavelverbindingen in de bodem kan binden. Ze stelde professor Mainak Majumder meteen voor hetzelfde te proberen met de zwavelelektrode.
Met de nieuwe accu geeft de elektrische auto de benzine- en de waterstofauto het nakijken.
Geïnspireerd door drie decennia onderzoek op een heel ander gebied kwamen de onderzoekers met een formule die de weg kan banen voor de grote doorbraak van lithiumzwavelaccu’s.
De energiedichtheid van de accu maakt vooral voor elektrische auto’s een groot verschil. Het is lastig om elektrische auto’s te maken met een groot bereik zonder dat de accu te veel ruimte in beslag neemt en te zwaar is.
Het totale gewicht van het accupakket van een elektrische auto varieert, maar een 80 kWh-accu in een elektrische auto met 500 kilometer bereik weegt circa 500 kilo – een kwart van het gewicht van de auto.
Lithiumionaccu’s hebben een energiedichtheid tot circa 250 watt-uur per kilo accu. Met lithiumzwavelaccu’s kan dit twee of drie keer zo veel worden: 500 of 750 wattuur per kilo, waardoor het bereik van de elektrische auto kan toenemen tot rond de 1500 kilometer.
Dit betekent dat de elektrische auto voor het eerst zal kunnen concurreren met de waterstofauto, het andere groene alternatief voor de benzineauto.
De lithiumzwavelaccu vergroot het bereik van de elektrische auto van 500 naar 1500 kilometer. Daarmee kan hij de benzine- en de waterstofauto, die zo’n 1300 kilometer kunnen halen, overtreffen.
En misschien wordt het nog beter. Theoretisch zou de nieuwe accu de actieradius kunnen vervijfvoudigen tot 2500 kilometer.
Nieuwe accu ontziet het milieu
De lithiumzwavelaccu zal onze huidige accu’s niet alleen kunnen evenaren qua duurzaamheid en energiedichtheid, maar zal ook de impact op het klimaat en milieu verlichten waarmee met onze accuproductie momenteel gepaard gaat.
Traditionele lithiumionaccu’s bevatten zeldzame elementen, waaronder kobalt, waardoor de lithiumelektrode stabieler is en ionen beter kan uitzenden en absorberen. In de nieuwe accu’s op basis van zwavel is geen kobalt nodig, wat een groot voordeel is.
Om kobalt te winnen uit groeves zijn grote graafmachines en vrachtwagens nodig, waardoor de mijnbouw zwaar op het plaatselijke milieu drukt en veel CO2 uitstoot.
Bovendien is kobalt een zeldzaam metaal dat op dreigt te raken. Het Internationaal Energie Agentschap schat dat de kobaltwinning de vraag al in 2030 niet meer zal kunnen bijbenen. Tweederde van al het kobalt komt uit de Democratische Republiek Congo, waar mensenrechtenorganisaties melding maken van gevaarlijke werkomstandigheden en het gebruik van kinderarbeid bij mijnbouwactiviteiten.
Aan de kobaltwinning in de Democratische Republiek Congo kleven grote ethische dilemma’s wegens de onmenselijke arbeidsomstandigheden.
Om al deze redenen is het mooi meegenomen dat de nieuwe lithiumzwavelaccu geen kobalt nodig heeft. En zwavel is er te over. Het element staat op 10 in de lijst van de meest voorkomende elementen op aarde, en bovendien is het een industrieel afvalproduct.
Een ander probleem met lithiumionaccu’s is de veiligheid. De accu’s kunnen spontaan ontbranden als er kortsluiting optreedt, bijvoorbeeld door schade aan de accu. De ontvlambaarheid wordt nog verergerd doordat de lithiumkobaltbinding in de ene elektrode zuurstof bevat.
Onze huidige lithiumionaccu’s hebben zuurstof in één elektrode. Dit verhoogt het risico dat de accu vlam vat. De nieuwe lithiumzwavelaccu heeft geen zuurstof, dus is het risico kleiner.
De elektroden van lithiumzwavelaccu’s bevatten geen zuurstof, en daarom zijn ze volgens onderzoekers minder ontvlambaar dan hun voorgangers.
Accufabriek klaar over vijf jaar
De onderzoekers van Monash University moeten nog enkele hordes nemen voordat het lithiumzwavelprototype de sprong kan maken van het lab naar productie op grote schaal. Het probleem van de aanslag op de lithiumelektrode is nog niet helemaal opgelost, maar de onderzoekers zijn hoopvol gestemd. Zo ook hun samenwerkingspartner, het bedrijf Enserv Australia.
‘We zijn van plan om binnen een jaar of vijf de eerste lithiumzwavelaccu’s in Australië te produceren,’ vertelt bedrijfsdirecteur Mark Gustowski.
De lithiumzwavelaccu wordt dus mogelijk de eerste die de huidige lithiumionaccu zal uitdagen.
Maar ook andere accu’s zijn in ontwikkeling. Wat ze met elkaar gemeen hebben is dat ze nieuwe elementen bevatten, wat echter niet alleen sterke maar ook zwakke punten met zich meebrengt.
Batterijen bevatten nieuwe elementen
Door de behoefte aan sterkere batterijen en het tekort aan metalen die we nu gebruiken, moeten we nieuwe materialen exploiteren. De komende decennia zullen er batterijtypen komen die elk hun eigen voordelen hebben.
1. Zwavel maakt batterij lichter en sterker
Over 5-10 jaar krijgen we lithium- en zwavelbatterijen die tot vijf keer zo energiedicht zijn als we nu gewend zijn. Hierdoor worden de batterijen kleiner en lichter, wat een voordeel is voor telefoons, elektrische auto’s en drones.
2. Elektrische auto komt verder met zuurstof
Over 10-15 jaar komen er batterijen waarbij de ene elektrode uit lithium bestaat en de andere uit zuurstof uit de lucht. Ze kunnen 10 keer zo veel energie bevatten als de huidige accu’s, waardoor elektrische auto’s 5000 kilometer ver kunnen komen.
3. Natrium kan lithium vervangen
We kunnen onbeperkt natrium uit zeewater halen, en verschillende bedrijven werken al aan batterijen met natrium in plaats van lithium. Natriumbatterijen hebben een lagere energiedichtheid, maar kunnen wel groene energie opslaan.
Een van de concepten waar onderzoekers aan werken is de lithiumluchtbatterij. Hier fungeert zuurstof uit de lucht als de ene elektrode. In theorie kunnen lithiumluchtbatterijen 10 keer zo veel energie bevatten als een lithiumionbatterij – en dus tweemaal keer zo veel als een lithiumzwavelaccu.
Het is alleen lastig om de batterijen zo duurzaam te maken dat ze vele ladingen en ontladingen kunnen doorstaan.
Een ander alternatief zijn solid state-batterijen, die geen vloeibare maar een vaste elektrolyt hebben. Tot nu toe werd dit type batterij gebruikt voor kleinere toestellen als hartslagmeters en pacemakers, waarbij factoren als energiedichtheid en brandveiligheid van cruciaal belang zijn.
Hierbij maakt het minder uit dat de materiaalkosten hoog zijn, wat wel de zwakte is van solid state-batterijen.
Prijstechnisch gooit een derde batterij hoge ogen: de natriumionbatterij, waarbij lithium is vervangen door natrium. Terwijl lithium een schaarse hulpbron is, hebben we natrium in overvloed, omdat we het zout gewoon uit zee kunnen halen. Helaas is de energiedichtheid van natriumionbatterijen niet erg hoog.
Lithium zal dus de hoofdrol blijven spelen in de meeste batterijen en accu’s. We moeten alleen beter worden in het recyclen van het metaal, zodat het niet opraakt. Als dat lukt, zou de nieuwe lithiumzwavelaccu de mobiele krachtbron kunnen worden waar we nog tientallen jaren mee toe kunnen.