211service.com
Een gids voor recente batterijverbeteringen
Elektrische voertuigen, hybrides en hernieuwbare energie hebben ten minste één ding gemeen: als ze ooit op grotere schaal worden gebruikt, omdat ze de meerderheid van de auto's op de weg of een groot deel van de elektriciteitsvoorziening vertegenwoordigen, moeten batterijen aanzienlijk beter worden . Batterijen zullen meer energie moeten opslaan, sneller en betrouwbaarder moeten leveren en uiteindelijk veel minder kosten. De specifieke manieren waarop batterijen moeten worden verbeterd, verschillen per toepassing, maar op al deze gebieden hebben onderzoekers aanzienlijke vooruitgang geboekt.
Vorige week kondigden MIT-onderzoekers onder leiding van Yang-Shao Horn, een professor in materiaalkunde en engineering en werktuigbouwkunde, en Paula Hammond, een professor in chemische technologie, een nieuwe benadering aan van krachtige lithium-ionbatterijen, het type dat nuttig is voor hybride voertuigen of voor het stabiliseren van het elektriciteitsnet. Krachtige batterijen accepteren en leveren snel lading. Bij hybrides is het doel om de benzinemotor aan te vullen, zodat deze het meest efficiënt kan werken. De batterij drijft de auto met lage snelheden aan voor korte afstanden en stimuleert de acceleratie, waardoor de motor minder wordt belast. Het vangt ook energie op van het remmen die anders verloren zou gaan als warmte. Voor het elektriciteitsnet kunnen dergelijke batterijen veranderingen in vraag en aanbod van elektriciteit opvangen - iets dat belangrijker wordt naarmate er meer variabele bronnen van elektriciteit worden geïntroduceerd, zoals wind- en zonne-energie.
De MIT-onderzoekers demonstreerden een nieuwe batterij-elektrode, gebaseerd op speciaal behandelde koolstofnanobuisjes, die duizenden cycli meegaat zonder prestatieverlies. Batterijen die van deze elektroden zijn gemaakt, zouden genoeg stroom kunnen leveren om bijvoorbeeld grote bestelauto's of vuilniswagens aan te drijven, zonder dat de batterijen te zwaar zijn om praktisch te zijn. (De onderzoekers moeten de dikte van de elektroden vergroten om ze praktisch te maken in deze toepassingen.) Bedrijven zoals A123 Systems, gevestigd in Watertown, MA, hebben ook zeer krachtige lithium-ionbatterijen ontwikkeld en andere academische groepen en startups ontwikkelen op koolstof nanobuisjes gebaseerde ultracondensatoren, die energie opslaan met een ander mechanisme dan batterijen, wat vooral handig is voor een hoog vermogen en een lange levensduur.
Hoewel de nieuwe elektroden uiteindelijk nuttig kunnen zijn voor hybrides en voor het stabiliseren van het elektriciteitsnet, zijn ze niet bijzonder goed voor andere toepassingen, zoals volledig elektrische voertuigen. Voor elektrische voertuigen is de totale hoeveelheid energie die batterijen opslaan belangrijker dan hoe snel die energie kan worden geleverd, aangezien het de totale hoeveelheid is die bepaalt hoe ver deze auto's kunnen reizen tussen oplaadbeurten. De MIT-onderzoekers die de nieuwe koolstof nanobuis-elektroden ontwikkelden, ontwikkelen ook een ander type batterij om grote hoeveelheden energie op te slaan. De technologie, die een lithum-luchtbatterij wordt genoemd, waarbij een van de twee elektroden van een batterij wordt vervangen door een interface met de lucht, heeft onlangs grote hoeveelheden overheidsfinanciering en belangstelling van bedrijven zoals IBM aangetrokken. In theorie zouden dergelijke batterijen drie keer zoveel energie kunnen opslaan als conventionele lithium-ionbatterijen. Maar het ontwerp heeft een aantal problemen waardoor het moeilijk te commercialiseren is, zoals de kwetsbaarheid van de actieve materialen voor vocht (het lithiummetaal dat het gebruikt kan vlam vatten als het nat wordt) en de neiging van de batterijen om te stoppen met werken nadat ze net zijn opgeladen enkele keren.
Net als lithium-luchtbatterijen hebben andere potentiële energierijke batterijtechnologieën te maken met een aantal hindernissen, wat zou kunnen helpen verklaren waarom hybrides met hun krachtige in plaats van energierijke batterijen meer succes hebben dan elektrische voertuigen. Veel van de meest veelbelovende chemicaliën voor batterijen zijn te moeilijk om op grote schaal te maken, vallen na een paar cycli uit elkaar of zijn te duur. Volgens het Amerikaanse ministerie van Energie kosten complete accu's tegenwoordig tussen $ 800 en $ 1.200 per kilowattuur en slaan ze ongeveer 100 tot 120 wattuur per kilogram op. Om elektrische voertuigen praktisch en betaalbaar te maken, zou de DOE graag zien dat de kosten dalen tot $ 250 per kilowattuur en de opslagcapaciteit vergroten tot meer dan 200 wattuur per kilogram. (Om deze doelen te bereiken is een nog hogere opslagcapaciteit nodig voor de afzonderlijke batterijcellen waaruit de batterijpakketten bestaan: ongeveer 400 wattuur per kilogram.)
Hoewel het moeilijk is om batterijen voor hybrides en elektrische voertuigen te verbeteren, is een van de grootste uitdagingen voor batterijonderzoekers op de lange termijn het maken van batterijen die goedkoop grote hoeveelheden energie kunnen opslaan die wordt opgewekt door zonnepanelen en windturbines, zodat elektriciteit uit deze bronnen beschikbaar is wanneer de zon schijnt niet of de wind waait niet. Voorlopig zijn dergelijke batterijen niet nodig - er is genoeg stroom van conventionele bronnen om de speling op te vangen. Maar als zonne- en windenergie ooit het grootste deel van de elektriciteit zullen leveren, zal opslag nodig zijn, en batterijen zijn tegenwoordig veel te duur. Het DOE-doel voor dergelijke batterijen is minder dan $ 100 per kilowattuur, minder dan de helft van het doel voor elektrische voertuigen. Het is tegenwoordig goedkoper om een aardgascentrale te bouwen als back-upstroombron, of om energie op te slaan door water bergopwaarts te pompen, waar het later bergafwaarts kan stromen om een generator te laten draaien. Een experimentele benadering van dergelijke goedkope batterijen is een zogenaamde vloeibare batterij, die goedkope batterijmaterialen gebruikt die zichzelf assembleren.
Zelfs als de problemen met batterijen in het laboratorium worden opgelost, stuiten deze technologieën op obstakels om te worden gecommercialiseerd. Om de kosten te drukken, wenden batterijfabrikanten zich tot andere toepassingen dan elektrische voertuigen en het elektriciteitsnet om nieuwe technologieën van de grond te krijgen, toepassingen zoals micro-elektronica, elektrisch gereedschap en raceauto's. Plug-in hybrides kunnen ook een rol spelen als brug naar elektrische voertuigen. Plug-ins gebruiken back-up generatoren op gas om hun bereik te vergroten, waardoor autofabrikanten kleinere, goedkopere batterijpakketten kunnen gebruiken dan ze nodig hebben voor elektrische voertuigen. Autofabrikanten zoals GM, met zijn Chevrolet Volt die dit jaar op de markt komt, volgen deze benadering. De elektrische voertuigen die nu te koop zijn, en die de komende jaren in de verkoop zullen gaan, zijn ofwel dure sportwagens en luxe voertuigen, waarvan de kosten hoog kunnen zijn, of de initiële kosten worden verlaagd door creatieve financiering, zoals het leasen van batterijen packs of het aanbieden van abonnementen per mijl, zoiets als de abonnementen per minuut die worden aangeboden door mobiele telefoonbedrijven.