Je leest:

Minuscule mobiele energiecentrales

Minuscule mobiele energiecentrales

Auteur: | 1 oktober 2000

De steeds kleinere laptops en gsm’s presteren steeds meer. Binnenkort dragen we elektronica op het lichaam en zit het in alledaagse voorwerpen verwerkt. De energieverzorging vormt het knelpunt. Duitse onderzoekers werken aan nieuwe technieken die de mobiele energie voor het communicatietijdperk veilig stellen.

Stel je eens een wereld zonder accu’s en batterijen voor. Geen auto start, mobieltjes, laptops en pacemakers werken niet en kwartshorloges laten het afweten. Accu’s en batterijen vormen de kleine levensbronnen van al die mobiele elektronica. Ze vormen ook een bron van ergernis. Ze zijn doorgaans zwaar, duur, slecht voor het milieu of doen het niet lang genoeg. Als je een zaklantaarn, laptop of organizer het hardst nodig hebt, is de accu leeg. Zuiniger apparaten en betere accu’s moeten de oplossing bieden.

Draagbare apparaten zoals gsm-telefoons en organizers maken al meer dan de helft van de elektronicamarkt uit. De komende jaren kunnen we nog meer mobiele toepassingen verwachten, bijvoorbeeld voor bewaking, milieumonitoring, medische tele-observatie en de telematica in het verkeer. Met een markt voor innovatieve elektronicaproducten en smartcards groeit die voor batterijen onevenredig hard. Nieuwe typen mobiele apparaten vereisen steeds kleinere componenten. Die componenten moeten bovendien samen in het product geïntegreerd zijn. De twee basisvoorwaarden daarvoor zijn vooral energiezuinige elektronica en een geïntegreerde energiebron.

Het Fraunhofer Gesellschaft, een groep technische onderzoeksinstituten in Duitsland, startte het onderzoeksinitiatief ‘Geïntegreerde energielevering voor geminiaturiseerde, mobiele communicatieapparatuur voor eindgebruikers’. Dat moet leemten in de technologische basis opvullen. Dankzij dit initiatief moet het midden- en kleinbedrijf blijven meedoen aan de technologische race en met nieuwe producten de concurrentie in de groeimarkt aangaan. Een aantal instituten bundelt daartoe de krachten. Zij leveren elk ingrediënten voor de interdisciplinaire samenwerking: halfgeleider- en componententechnologie, elektrochemie, vastestoffysica van ionen, polymeeronderzoek en regel- en besturingstechniek.

Nieuwe batterij techniek

Alkalinebatterij. In een doorsnee batterij zijn de anode en de kathode van elkaar gescheiden door een separator. Een naald in het centrum van de anode geleidt een elektrische stroom gemakkelijk naar de onderkant van de batterij. De kathode maakt contact met de bovenkant van de batterij.

Complete oplossingen voor al die mobiele, geminiaturiseerde elektronicaproducten vereisen een nieuwe batterijtechniek en tegelijkertijd een nieuwe constructietechniek en elektronica voor het energiebeheer, zo luidt het uitgangspunt van de onderzoeksinstituten.

Voor de ontwikkeling van energiezuinige elektronica beschikten de Fraunhofer-instituten over een gunstig startpunt. Het instituut voor geïntegreerde schakelingen (ISS) en het instituut voor micro-elektronische schakelingen en systemen (IMS) hadden al een geschikte schakeling ontworpen. Deze veelzijdig inzetbare schakelmodule voor energiebeheer beperkt het energieverbruik tot een minimum en zorgt voor een optimaal batterijbeheer en een veilige toepassing van de restcapaciteit.

Een wezenlijke uitdaging is een nieuwe generatie van oplaadbare batterijen. Bij de mobiele toepassingen zijn vooral foliebatterijen bijzonder interessant. Alleen al de smartcardontwikkeling voorspelt een miljardenmarkt: binnenkort heeft een op de vijf chipkaarten een batterijtje nodig. Een andere optie zijn brandstofcellen: kleine chemische reactoren die elektrische energie leveren.

Het bouwplan van batterijen en accu’s is eenvoudig. De zuil van Volta (zie N&T wetenschapsmagazine, september 2000) is het prototype. Neem twee elektroden van verschillend materiaal, stop ze in een geleidende vloeistof en de uiteinden van de elektroden leveren dan een bruikbare elektrische spanning. In klassieke batterijen treden onomkeerbare reacties op, zodat je ze na gebruik moet weggooien. Accu’s (oplaadbare batterijen) kun je met een adapter in het stopcontact weer opladen.

Batterijen en accu’s worden alsmaar kleiner, lichter, leveren meer prestaties, zijn betrouwbaarder en breder inzetbaar. De eisen lopen uiteen. Een notebook die honderd watt verbruikt, zuigt een accu binnen een paar uur leeg. Een pacemaker of een chipkaart kan met een batterijtje van enkele milliwatt tien jaar vooruit. In alle nieuwe apparaten vervult het energiebeheer een centrale rol. De energielevering verandert in een samenspel van vele componenten: energieopslag, stroom- en batterijbeheer, belastingbeheer en verdeelde, intelligente componenten in vrijwel alle onderdelen van een eindproduct.

Hoeveel kost mobiele stroom?

Smartcard met foliecel.

Batterijen leveren dure stroom, of het nu gaat om een wegwerpbatterij of om heroplaadbare accu’s. Knoopcellen spannen de kroon. Die leveren een kilowattuur stroom voor wel meer dan vijfduizend euro. De polshorloges en pacemakers die werken op knoopcellen, gebruiken gelukkig weinig stroom, zodat een knoopcel het wel een paar jaar volhoudt. Bij de energieleveranciers voor zaklantaarns, wekkers of walkmans kost een kilowattuur zo’n vijftig tot honderd euro. Veel meer waar voor hun geld leveren de oplaadbare batterijen. Bij nikkelcadmiumbatterijen, die je vijfhonderdmaal kunt opladen, daalt de stroomprijs naar hooguit vijf euro per kilowattuur. De foliecel belooft een goedkopere stroombron te worden.

Lithiumaccu heeft nadelen

Kenmerken van een accu zijn onder meer grootte, spanning, levensduur en stabiliteit van de afgegeven stroom. Bepalend daarvoor zijn de aard van de elektroden en de elektrolyt en het aantal in serie geschakelde cellen. Nikkelcadmium-, nikkelmetaalhydride- (NiMH) en alkalimangaancellen en lithiumsystemen bieden een breed spectrum aan prestaties, kwaliteit en prijs. Helaas leiden ze alle aan dezelfde euvels: te zwaar, te groot, te duur, te korte werktijd.

Lithiumaccu’s vormen de meestbelovende kandidaten voor de volgende generatie mobiele energiebronnen. Van alle oplaadbare batterijen beschikken zij over de hoogste energiedichtheid. Aan dat voordeel zit wel een fors prijskaartje. Alle commercieel beschikbare lithiumaccu’s bevatten vloeibare elektrolyten. Die zijn gevoelig voor hydrolyse, maken daardoor de productie extreem kostbaar en kunnen bij overlading of kortsluiting zelfs exploderen. De zeer giftige vloeibare elektrolyten vereisen een hermetisch afgesloten batterij. Het stijve metalen batterijhuis verhoogt het gewicht met dertig tot veertig procent. Bovendien bemoeilijkt het de vormgeving.

Ontwerpers hebben weinig vrijheid als ze in een product zo’n logge accu moeten passen. Wereldwijd zoeken technici daarom naar oplossingen voor dit probleem, zoals inbedden in een sponsachtige massa of in een gel. Eind 1999 verschenen de eerste van dergelijke accu’s in kleine oplage. Ze lijken echter nog niet volledig uitontwikkeld.

Folie met vaste elektrolyten

Boodschaphorloge. Idee voor een SMS-horloge met foliebatterij. De batterij verwerkt in de flexibele armband levert de benodigde energie voor zowel het digitale uurwerk als het SMS-ontvangertje.

Aan het Fraunhofer-instituut voor siliciumtechnologie ISIT wilden dr Gerold Neumann en zijn teamgenoten van begin af aan de problemen met vloeibare elektrolyten vermijden. Ze kozen daarom voor vaste elektrolyten. Deze zijn niet giftig, gemakkelijk verwerkbaar en houden hun lading lang vast. Toch worden ze totnogtoe in de batterijtechniek nauwelijks in overweging genomen. Ze geleiden namelijk ionen niet zo goed als vloeibare elektrolyten.

Het ISIT bewees dat krachtige foliebatterijen met vaste elektrolyt haalbaar zijn, en bovendien ook nog licht, milieuvriendelijk en goedkoop. Het instituut moest wel met enkele nieuwe trucs het geringe ionengeleidingsvermogen omzeilen. De ene truc is het toepassen van elektrolytlagen van nog geen tiende millimeter dikte. De andere is een zo groot mogelijk contactoppervlak tussen de elektroden en de elektrolyten.

De foliebatterij kun je verrassend eenvoudig maken. De benodigde materialen zijn gemakkelijk verwerkbaar. De basis voor elke filmlaag is een pasta gevormd door een oplosmiddel en poeders van respectievelijk polymeer-, elektroden- of elektrolytmateriaal. De drie typen folielagen gemaakt uit de pasta’s worden samen gelamineerd en tenslotte met een gemetalliseerde kunststoffolie verzegeld. Klaar is de cel – slechts een halve tot een millimeter dik. De flexibele cellen laten zich naar believen vervormen, rollen en stapelen. Deze vervormbaarheid is een ideaal uitgangspunt voor de ontwerpers van nieuwe mobiele apparatuur.

De huidige foliebatterijen leveren in het laboratorium een relatief hoge energiedichtheid – driemaal zoveel als een nikkelcadmiumbatterij met hetzelfde volume. Na driehonderdmaal ontladen en weer laden, heeft de accu nog tachtig procent van de oorspronkelijke capaciteit. Daarmee voldoen deze overigens nog niet geoptimaliseerde testcellen aan de gangbare eisen voor accu’s voor mobiele telefoons.

Proefseries

Het ISIT produceert de batterijen al in het laboratorium en onderzoekt uitvoerig de eerste proefseries. Met steun van het ISIT moet een zelfstandig bedrijf ontstaan, een spin-off, die begint met een pilootproductielijn voor de industriële vervaardiging van de foliebatterijen. Die zijn vooral bedoeld voor de mobiele communicatie. Ook voor smartcards en ‘slimme etiketten’ en in de medische techniek biedt de nieuwe flexibele batterij volop perspectieven.

Parallel aan de ontwikkeling van de foliebatterijen ontwikkelt het Fraunhoferverbond een uitgebreider batterijconcept voor uiteenlopende prestaties en toepassingen. Naast de flexibele foliebatterijen ontwikkelen de Duitse onderzoeksinstituten gestructureerde dunnefilmbatterijen. Die lijken – mede omdat ze duurder zijn – met name geschikt voor integratie op chips, bijvoorbeeld in computergeheugens.

Bij de productie van dunnefilmbatterijen ontstaan de diverse lagen dankzij plasmatechnieken of met lasers. De gebruikte elektrode is ontwikkeld door het instituut voor chemische technologie ICT. Dit instituut heeft een jarenlange ervaring op het gebied van anorganische batterijen, zoals een hoogvermogen lithiumbatterij. De vaste elektrolyt in deze dunnefilmbatterij bestaat uit het materiaal Ormocer, dat is ontwikkeld met steun van het instituut voor siliciumonderzoek ISC. Dit instituut werkt al vele jaren aan nieuwe anorganisch-organische polymeerelektrolyten, die je zelfs met fotolithografie op een chip kunt aanbrengen.

Een derde Fraunhofer-instituut, het instituut voor bedrijfszekerheid en micro-integratie IZM, levert de kennis voor de integratie van de minuscule elektronica en energiebron. Daar bekommeren de onderzoekers zich vooral om montage, inkapseling, batterijencontacten en lijm- en lamineermethoden. Bovendien testen ze de bedrijfszekerheid, veiligheid en stabiliteit van de batterijen op lange termijn.

Chemisch brandje in je gsm

Compacte brandstofcellen bieden voordelen voor draagbare apparatuur, zoals laptops. Ze leveren langer energie, en de nieuwe energievulling hoeft niet uit het stopcontact te komen.

Brandstofcellen staan bekend om hun brede toepasbaarheid, van grote energiecentrales, onderzeeërs en auto’s tot verwarmingscentrale in woningen. Fraunhofer-technici werken aan mini- en microbrandstofcellen, die zelfs passen in draagbare elektrische apparaten die weinig energie verbruiken.

De brandstofcel wekt stroom op door een chemische reactie, bijvoorbeeld de reactie tussen waterstof en zuurstof. Deze energieomzetting behaalt een efficiëntie van meer dan vijftig procent en is milieuvriendelijk. Het enige reactieproduct is stoom. Als brandstof gebruikt de doorsnee brandstofcel waterstof. Die kan ook uit methanol of aardgas (methaan) worden gehaald. Dan moet wel een katalysator de waterstof uit de grondstof vrijmaken.

Waterstof lijkt geen oplossing voor minibrandstofcellen. Het instituut voor zonne-energiesystemen ISE zoekt naar nieuwe celtypen die methanol direct voor de opwekking van stroom gebruiken. Je kunt vloeibare methanol immers beduidend gemakkelijker opslaan dan waterstof. Afdelingsleider dr Angelika Heinzel werd vorig jaar vanwege dit onderzoek genomineerd voor de Duitse Toekomstprijs.

Voor lage energiebehoefte is van de diverse brandstofceltypen de PEM-cel, met een polymeer-elektrolytmembraan, zeer geschikt. Deze cel zet al bij kamertemperatuur de energie uiterst efficiënt om. Sommige typen brandstofcellen werken bij een temperatuur van honderden graden Celsius. Een nieuw type minibrandstofcel berust op een door Heinzel en haar collega’s ontwikkeld membraanconcept. Daarin zijn de cellen niet gestapeld, maar in serie geschakeld. Je kunt het vergelijken met tegen elkaar gelegde dominostenen. Dat maakt een bijzonder vlakke cel mogelijk.

Het doel was een compleet onderhoudsvriendelijk brandstofcellensysteem met een eenvoudige constructie en een hoge energiedichtheid. Voor toepassingen die bij een lage spanning werken, bouwden Heinzel c.s. een efficiënte gelijkstroomomzetter. Die zet kleine ingangsspanningen tot 0,55 volt om naar de gewenste hogere spanning (3,3 V, 5 V of 12V). Het prototype heeft een doorsnede van 144 millimeter, is 20 millimeter hoog en weegt 500 gram.

Laptop werkt tien uur

Het systeem kan een vermogen tot vijftig watt leveren. De uitgangspunten lijken daarmee gehaald. Dat is voldoende voor kleine apparaten zoals laptops of een camcorder. Bij een demonstratie liet het instituut een laptop wel tien uur werken, waar een gangbare accu het na hooguit drie uur al laat afweten.

Een kleine elektrolysator, die water omzet in waterstof en zuurstof, kan het waterstoftankje vullen. Dat tankje bevat een metaal waarin bij hogere druk waterstof kan oplossen, zodat een metaalhydride ontstaat. Bij lage druk komt waterstof weer vrij uit het metaal. Het brandstofcelsysteem bevat weinig onderdelen en kan snel en gemakkelijk worden gemonteerd. De gelijkstroomomzetter laat zich integreren in reeds bestaande elektronica en kan bovendien het vermogensbeheer overnemen. Dat maakt een goedkope massaproductie mogelijk. Vergeleken met de beste batterijen – de relatief dure lithiumionenbatterijen – levert deze brandstofcel een hogere energiedichtheid per volume-eenheid.

Voor kleinere energiebehoeften, van een milliwatt tot enkele watt, ontwikkelde het ISE samen met het instituut voor microsysteemtechniek van de universiteit in Freiburg een microbrandstofcel, ter grootte van een suikerklontje. Dunne kanaaltjes vervoeren waterstof en lucht naar alle cellen en voeren de waterdamp weer af. Die kanaaltjes bevinden zich op een dunne metaalfolie. Daarmee ontstaat een enorm platte constructie – vijf op elkaar gestapelde cellen zijn slechts 2,5 millimeter hoog. Zulke microbrandstofcellen zullen wellicht ooit palmtops, organizers, elektronische spelletjes en andere kleinere apparaten van energie voorzien.

Met de beproefde technieken uit de halfgeleiderindustrie kunnen deze miniatuurenergiecentrales goedkoop in massaproductie worden gemaakt. Ze hebben geen last van zelfontlading, hebben een lange levensduur, een flexibele vorm, capaciteit en vermogen, en je kunt ze probleemloos recyclen. Het belangrijkste voordeel is echter de scheiding van elektrische omzetter en energiedrager ofwel brandstof. Is de brandstof op, dan verwissel je eenvoudigweg een patroon en je hebt weer stroom.

Inmiddels bundelt het ISE zijn onderzoek op dit punt met drie andere Fraunhofer-instituten. Dat versnelt de ontwikkeling aanzienlijk. Gezamenlijk ontwikkelen ze nog meer nieuwe brandstofcellen die met een laag vermogen binnenkort draagbare elektronica tot leven wekken.

Dit artikel is een publicatie van Natuurwetenschap & Techniek.
© Natuurwetenschap & Techniek, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 oktober 2000

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.