211service.com
Nieuwe schuimbatterijen beloven snel opladen, hogere capaciteit
Ondanks miljarden dollars aan investeringen en de lancering van verschillende spraakmakende startups, staat de energiesector nog steeds voor een fundamentele en schijnbaar onoplosbare uitdaging: het is erg moeilijk om veel stroom op te slaan op een manier die compact, duurzaam en goedkoop is . Een groeiend aantal onderzoekers hoopt dat op te lossen met zogenaamde driedimensionale batterijen, die verschillende vormen kunnen aannemen maar meestal poreuze, sponsachtige structuren hebben, in tegenstelling tot de traditionele 2D-vorm: dunne laagjes metaal in een vloeibare elektrolytoplossing in een doos (zie Een rekbare, buigbare en krachtigere Smart Watch-batterij en -batterijen: goedkoopste vorm van netstroom?).
In de afgelopen maanden heeft een startup genaamd Prieto-batterij , voortgekomen uit de Colorado State University in Fort Collins, is erin geslaagd om wat oprichter Amy Prieto noemt de eerste echte 3D-batterij te produceren die kan worden opgeladen en ontladen, en die een lading kan vasthouden - met andere woorden, die voldoet aan de basisvereisten van een conventionele batterij. 3D-batterijen zijn mogelijk goedkoper te maken, sneller op te laden, veiliger, kleiner en minder schadelijk voor het milieu dan conventionele batterijen. Bovendien, omdat ze lichtgewicht, flexibel en in een bijna onbeperkte verscheidenheid aan vormen kunnen worden gemaakt, kunnen ze toepassingen bieden voor energieopslag die voorheen ondenkbaar waren.
Prieto's 3D solid-state batterij vertegenwoordigt twee radicale afwijkingen van de batterijen van vandaag: waar ze van zijn gemaakt en hoe ze zijn gemaakt. In het Prieto-lab, net onder de uitlopers van de Rocky Mountain, staat een reeks van acht met ondiep water gevulde bakken in een verzonken tafel. Naast de lijn staat een rek met rollen koperschuim van verschillende dichtheden. Het schuim is de grondstof voor de batterijen, waarop de anode - gemaakt van koperantimonide (koper vermengd met antimoon) - wordt gegalvaniseerd. Het schuim is zo poreus dat het voornamelijk lucht is, maar een klein fragment kan een enorm oppervlak bevatten. Door het oppervlak te vergroten, wordt de afstand die de ionen moeten afleggen kleiner, waardoor zowel het vermogen als de energiedichtheid toenemen.
Zodra het schuim is gecoat met de anode, is het gelaagd met een polymeerelektrolyt dat een fysieke barrière vormt waarover ionen (maar geen elektronen) kunnen bewegen. Ten slotte wordt de kathode aangebracht in de vorm van een donkere, inktachtige slurry. Het eindproduct is een schuimbatterij van enkele centimeters breed en zo dik als een vel papier. Verzegeld in een plastic zak, kunnen de Prieto-batterijen snel opladen, tot twee keer zoveel energie per volume-eenheid opslaan als conventionele batterijen, en de ongelukkige neiging van lithium-ionbatterijen tot oververhitting missen.
Het idee om poreuze materialen te gebruiken voor batterijcomponenten is niet nieuw: veel conventionele loodzuurbatterijen gebruiken bijvoorbeeld loodschuim in de anode. Het idee van een hele batterij gemaakt met een poreuze interne architectuur is ontstaan uit het werk van Debra Rolison, een onderzoekschemicus bij het Naval Research Laboratory die aan het hoofd staat van de sectie Advanced Electrochemical Materials van het laboratorium. Rolison begon begin jaren negentig onderzoek te doen naar nieuwe katalysatormaterialen voor brandstofcellen en in 1998 stelde ze een batterij voor die bestond uit koolstofaerogels - poreuze materialen waarin een kathodemateriaal kan worden geplaatst om een 3D-batterij te maken. Toen ze het idee voor het eerst presenteerde, zegt ze, dacht 99 procent van de mensen dat ik gek was geworden. Maar een aantal onderzoekers volgt het concept nu - sommigen met nieuwe materialen zoals: portabella paddestoelen en cellulose uit houtpulp .
3D-batterijtechnologie zoals die van Prieto, zegt Max Hamedi, een Harvard-onderzoeker die werkt aan elastische schuimbatterijen gemaakt van houtpulp, heeft het potentieel om elke batterij te overtreffen die je in 2D-systemen kunt bouwen. Dit werk explodeert nu gewoon.
Prieto heeft vanaf het begin gezocht naar eenvoud, door gebruik te maken van gangbare materialen in een goedkoop productieproces dat eenvoudig kan worden opgeschaald. Het eerste product van het bedrijf is geen volle batterij, maar een drop-in vervangende koperen schuimanode die grafietanodes in conventionele batterijen zal vervangen. In september kondigde Prieto een samenwerking aan met Intel, waardoor de startup gebruik kan maken van de expertise van de Technology Manufacturing Group van de chipmaker. Prieto's eerste vervangende anodes zouden eind 2016 op de markt kunnen komen, zegt de oprichter, en een complete batterij zou tegen 2018 kunnen volgen.
Er zijn natuurlijk andere bedrijven die innovatie in solid-state batterijen stimuleren. Sakti3 werkt aan solid-state lithium-ionbatterijen die de helft tot een derde van de grootte van conventionele systemen zijn, met dezelfde energieopslagcapaciteit (zie Een baanbrekende batterij krijgt een grote steun ). Seeo, een in Californië gevestigde startup gericht op solid-state batterijen met lithium-metaalanoden, werd onlangs overgenomen door Bosch, een van de belangrijkste leveranciers van de auto-industrie (zie Een prototypebatterij kan het bereik van elektrische auto's verdubbelen). Geen van deze bedrijven gebruikt een 3D-schuimarchitectuur.
We zien het potentieel voor Prieto's technologie om bij te dragen aan innovaties in wearables, waar solid-state batterijen met een hoge energiedichtheid boeiende nieuwe toepassingen mogelijk zouden kunnen maken, zegt Mark Pontarelli, de algemeen directeur van Intel's interne bedrijfsincubator. Het koperschuim kan worden gebruikt om batterijen te maken die lege ruimtes in een ontwerp precies opvullen, waardoor de batterij langer meegaat zonder dat het product groter wordt.
Zoals Pontarelli aangeeft, zullen de eerste toepassingen waarschijnlijk klein zijn, bijvoorbeeld in draagbare systemen en consumentenelektronica, maar er is geen duidelijke reden waarom schuimbatterijen niet zouden werken in elektrische voertuigen en, op een dag, opslagsystemen op rasterschaal.