Ze zitten in je telefoon, je laptop, je nintendo DS en binnenkort ook in je auto: lithium-ion batterijen. Afhankelijk van hoeveel filmpjes je kijkt gaan die in je telefoon nog wel redelijk lang mee, maar een dagje op het terras werken met je laptop zit er nog niet in. En elektrische auto’s kappen er na 150 kilometer al mee, om dan weer een hele nacht op te moeten laden. Maar er wordt hard door de wetenschap aan verbetering gewerkt. Welke op nanotechnologie geïnspireerde batterij zal de beste blijken?
Wordt het de silicium-koolstof anode…
De anode van de huidige Li-ion batterijen is van grafiet, het spul in je HB-potlood. Silicium zou een veel betere anode zijn: de Li-ionen kunnen daar tien keer sneller mee reageren. Dat betekent niet alleen dat je batterij sneller opgeladen is; hij kan ook meer stroom opslaan. Tot nu toe was silicium te broos om er elektrodes van te maken: opnieuw opladen zorgde voor scheurtjes in het oppervlak. Maar door de elektrodes vanaf nanoniveau op te bouwen, lukte het wel, publiceerden onderzoekers van het Georgia Institute of Technology half maart in Nature Materials.
De onderzoekers beginnen met losse nanodeeltjes van koolstof. Door die heel vlug tot extreme temperaturen te verwarmen, ontstaat er een soort driedimensionale boomstructuur van geleidend koolstof. Daarna laten ze silicium-nanodeeltjes reageren met de uiteindjes van de boomtakken. Als appeltjes hangen ze aan de randen van deze nanobollen, die zelf slechts zo’n 30 nanometer groot zijn.
Doordat de structuur ‘open’ blijft, staat elk siliciumbolletje in verbinding met de vloeistof, direct beschikbaar voor de Li-ionen. Hierdoor kan de batterij veel sneller op- of ontladen. Daarnaast is het spul ook veel flexibeler. Scheurtjes zijn verleden tijd: na honderd oplaadcycli vertoonden de testbatterijtjes nog geen enkel verval. Het handige aan deze oplossing is dat je alleen de anode hoeft te vervangen: fabrieken kunnen verder dezelfde technieken blijven gebruiken.
Lithium-lucht technologie…
De buren in Californie zien de oplossing elders: een batterij die puur lithium als anode, en zuurstof uit de lucht als kathode gebruikt. Niet alleen scheelt dit in gewicht, het zou deze batterijen weer een tienvoud sterker maken dan de huidige generatie. Je kunt dan met een veel kleinere batterij toe. Klein nadeel: lithium reageert als een gek met water en dat zit altijd in de lucht.
Natuurlijk weten ze hier ook wel wat op. Een laagje membraan dat wel zuurstof doorlaat maar geen water. Alle batterijen worden minder effectief als ze erg warm of koud worden, maar deze batterijen verliezen het grootste deel van hun stroom boven de 40 graden. Voorlopig liggen ze nog niet in de winkel. Maar zodra dat zo is blijven ze ook eeuwig goed, want in tegenstelling tot de huidige batterijen die langzaam reageren (=opraken) gaan de luchtbatterijen pas werken als je hun luchtsluis open zet.
Of toch silicium nanobuisjes?
Bij MIT geloven ze dat silicium nanobuisjes de beste kandidaten voor de superbatterij zijn. Net als de silicium-koolstof nanodeeltjes aan het begin van dit artikel, zijn ook deze bedoeld voor een betere anode. Door buisjes te gebruiken, zo redeneren de wetenschappers, is er nog meer oppervlakte beschikbaar voor de Li-ionen om mee te reageren. De buisjes steken met hun open einde in de vloeistof en hebben daarmee dezelfde voordelen als koolstofbuisjes: ze zijn sterk en flexibel.
Al deze benaderingen beloven tien keer sterkere batterijen waar een elektrische auto makkelijk Parijs mee moet kunnen halen. De strijd om de beste anode is voorlopig nog niet beslecht. Maar hebben de wetenschappers er wel aan gedacht dat je met een sterkere anode, ook een even sterkere kathode nodig hebt?
Wat vind jij van de veelbelovende nieuwe toepassingen van nanotechnologie? Brengt nanotechnologie een betere wereld, of zijn de risico’s te groot? Geef je mening in de NanoDiscussie van Kennislink!
Meer over batterijen op Kennislink:
Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/batterij/index.atom?m=en", “max”=>"10", “detail”=>"minder"}