De meeste mensen die elektrisch rijden, maken zich zorgen over een paar dingen: hoe ver de auto kan rijden als hij volledig is opgeladen, hoe de batterij werkt als het buiten erg koud wordt en hoe snel hij kan opladen. Uit een nieuw onderzoeksartikel dat op 25 februari in het tijdschrift Nature is gepubliceerd, blijkt dat we misschien bijna twee van deze problemen in één keer hebben opgelost.
Het onderzoek is afkomstig van een team onder leiding van professor Zhao Qing en academicus Chen Jun van de Nankai Universiteit, samen met Li Yong van het Shanghai Institute of Space Power Sources. Ze hebben een manier gevonden om lithiumbatterijen veel krachtiger te maken. Concreet bereikten ze een energiedichtheid van 700 Wh/kg. De beste accu's die tegenwoordig in auto's worden gebruikt, hebben doorgaans een capaciteit van ongeveer 250 Wh/kg tot 255 Wh/kg, en solid-state batterijen beloven ongeveer 500 Wh/kg.
Om te begrijpen waarom dit belangrijk is, moet je een batterij als een brandstoftank beschouwen. Als je twee tanks hebt met hetzelfde gewicht, maar één tank bevat drie keer meer energie, dan kan je auto veel verder rijden zonder te stoppen. De nieuwe technologie verdrievoudigt bijna de energiecapaciteit vergeleken met de huidige normen. Dit betekent dat elektrische auto's uiteindelijk veel langere afstanden kunnen afleggen zonder dat er enorme, zware accupakketten nodig zijn die het voertuig zwaar belasten.
Het geheim van deze krachtsprong ligt in de vloeistof in de batterij: de elektrolyt. Batterijen gebruiken een mix van lithiumzouten en carbonaatoplosmiddelen, die afhankelijk zijn van zuurstofatomen om het lithium te helpen bewegen. Dit werkt redelijk goed, maar heeft grote nadelen. De vloeibare elektrolyten zijn dik en verspreiden zich niet gemakkelijk. Ze werken ook niet meer goed als de temperatuur daalt, waardoor veel EV’s in de winter hun bereik verliezen.
Het Chinese team besloot iets anders te proberen. Ze creëerden een nieuw soort vloeistof met behulp van gefluoreerde koolwaterstofoplosmiddelen. In plaats van zuurstof te gebruiken om het lithium te verplaatsen, gebruikten ze fluor. Deze verandering maakt de vloeistof veel "natter", zodat de batterij er minder van nodig heeft om te functioneren. Omdat de vloeistof dunner is en beter stroomt, kan deze energie veel sneller verplaatsen.
Het nieuwe ontwerp presteert ongelooflijk goed in de kou. Traditionele batterijen geven het vaak op als het vriest, maar de nieuwe cellen kunnen nog steeds werken bij -50°C. Zelfs bij die extreme temperatuur behoudt de batterij een energiedichtheid van bijna 400 Wh/kg. Dat is nog steeds hoger dan wat de meeste high-end EV’s tegenwoordig bij kamertemperatuur bieden.
Het team legde uit dat ze heel voorzichtig moesten zijn met de manier waarop ze de nieuwe elektrolyt creëerden: ze moesten de ‘ruimte’ in de vloeistof in evenwicht brengen, zodat de lithiumatomen vrij konden bewegen. Door over te schakelen van zuurstof naar fluor, hebben ze het knelpunt weggenomen dat de prestaties tegenhield, waardoor de batterij tegelijkertijd lichter en sterker kon worden.
Veel bedrijven zijn bezig met het bouwen van solid-state batterijen, die vaak de ‘heilige graal’ van de industrie worden genoemd. Maar zelfs die batterijen halen meestal maar zo’n 400 Wh/kg. De nieuwe ontdekking laat zien dat ‘vloeibare’ batterijen de solid-state technologie daadwerkelijk kunnen verslaan als de chemie klopt. Als dit van het laboratorium naar de fabriek gaat, kan dit de manier veranderen waarop we alles bouwen, van bestelwagens tot vliegtuigen.
Deze batterijen kunnen geavanceerde robots of zelfs apparatuur die in de ruimte wordt gebruikt van stroom voorzien. Momenteel heeft het getal van 700 Wh/kg alleen betrekking op de individuele cel, maar zodra deze cellen tot een compleet batterijsysteem worden samengevoegd, zullen de winsten aanzienlijk zijn. Dit onderzoek toont aan dat lithiumbatterijen nog steeds een onbenut potentieel hebben en daagt de verwachtingen van de solid-state technologie uit.
