Milieuvriendelijker, goedkoper, met een grotere opslagcapaciteit en een langere levensduur:er worden veel eisen gesteld aan de batterij van de toekomst. Een Spaans team van onderzoekers gebruikt lasertechnologie om de volgende generatie batterijen te ontwerpen.

De ervaren loodzuuraccu's, die ongeveer een eeuw lang goed hebben gewerkt tegen lage kosten, lijken niet in staat zich voldoende opslagcapaciteit te veroorloven voor de behoeften van onze tijd. Zeker, ze waren niet ontworpen voor elektrische auto's. Andere pogingen zoals Ni-Cd (nikkel-cadmium) of Ni-MH (nikkelmetaalhydride) zijn te zwak gebleken om een ​​elektrisch voertuig voort te stuwen.

Hoewel vrij duur in zijn commerciële pop-up in de vroege jaren '90, de lithium-ion (Li-ion) technologie is redelijk geworden in de tijd en kan nu voldoen aan de driving range-behoeften van veel mensen. De gemiddelde dagelijkse woon-werkafstand wereldwijd is minder dan 50 km. Echter, belangrijke aspecten zoals kosten en stabiliteit moeten worden aangepast, zeggen onderzoekers.

In het kader van het door de EU gefinancierde project Laser4Surf, de wetenschappers pakken een van deze parameters aan, namelijk de stabiliteit van de Li-ion batterij. "We gebruiken de laser om het huidige collectoroppervlak te veranderen, dat is een van de batterijcomponenten, gemaakt van metaal. Deze aanpassingen zullen de stabiliteit van de batterij verbeteren, waardoor de levensduur wordt verlengd, " legt de natuurkundige Dr. Miguel Ángel Muñoz-Márquez uit, groepsleider Advanced Interface Analysis bij CIC energiGUNE in Álava, Spanje.

Elke lithium-ioncel (batterij) heeft aan beide uiteinden een stroomafnemer. Het elektrodemateriaal wordt als verf op elke stroomafnemer gegoten; het slaat de lithiumionen op en geeft ze af wanneer nodig, tijdens werking op batterijen. Technisch gezien, de werking van de laser op het metalen oppervlak zorgt voor een betere hechting van de elektrode aan de stroomcollector. Dit voorkomt elke ongewenste reactie die de delaminatie van de elektrode van de stroomcollector zou kunnen veroorzaken.

"Deze aanpassingen kunnen ook de batterijprestaties verbeteren bij hoge vermogensbelastingen. Met de laser, we willen het actieve oppervlak van de stroomafnemer vergroten, waardoor het meer elektronen kan verwerken in het laad- en ontlaadproces, ", voegt Miguel Angel Muñoz toe.

De huidige Li-ion-accu's die elektrische auto's in beweging brengen, zijn sterk genoeg. Afhankelijk van het productiebedrijf, een auto kan tussen de 200 en 500 km rijden zonder de batterij op te laden. Het grootste probleem is de betaalbaarheid, aangezien de kosten van de batterij ongeveer 40% of 50% van de kosten van de auto bedragen. "Dit cijfer kan worden verlaagd door ofwel de technologie te verbeteren, zoals we doen in het Laser4Surf-project, of door goedkopere materialen te vinden. Als er een oplossing wordt gevonden om de levensduur van de batterij te verlengen, dit zou een succes zijn, zelfs als het tegen een hogere prijs komt. De batterij gaat langer mee en de investeringen worden terugverdiend, ', zegt Munoz.

Een ander belangrijk punt van het project betreft de duurzaamheid van batterijen. Bij Laser4Surf, de onderzoekers slaan één chemische stap in het fabricageproces over:de koolstofcoating van de stroomcollector. Koolstofcoating op een gewone Li-ionbatterij verbetert de prestaties van de stroomcollector, bijv. om een ​​beter elektrisch contact tussen de stroomcollector en de elektrode te verzekeren. "De laser wijzigt het oppervlak van de stroomcollector en maakt chemische coating overbodig. de lasergravure verbetert zowel het elektrische als het mechanische contact, vandaar dat de batterijen beter presteren, ", legt Muñoz uit.

Na de eerste laboratoriumtest Miguel Angel Muñoz is vol hoop over de toekomst van dit onderzoek:"In deze tweede helft van het project, we werken aan een prototype ontwikkeld in de coatinglijn, beschikbaar in de droge ruimte van ons centrum. Dit prototype zal ongeveer de grootte hebben van een batterij voor een mobiele telefoon en de verkregen cel kan worden beschouwd als een pre-industriële proef." De volgende stap is om de batterijbedrijven ervan te overtuigen dat deze bevindingen concurrerend zijn. "Een van de doelen van dit project is machines te bouwen die het koperoppervlak op grote schaal kunnen wijzigen, er komt dus een pre-industrieel prototype. Als alles goed gaat, in minder dan tien jaar, we zullen het op industriële schaal kunnen produceren, " hij voegt toe.

"Het verbeteren van het contact tussen het actieve materiaal en de stroomcollector is uiterst belangrijk en het is een zeer goede aanpak om de levensduur en de laadprestaties van de batterij te verlengen, " zegt prof. Stefano Passerini, directeur van het Helmholtz Instituut in Ulm, Duitsland en hoofdredacteur van het "Journal of Power Sources." Hij denkt dat lasers een succesvolle technologie kunnen zijn, omdat het nu minder kost. Echter, er dient een baten/kosten balans te worden berekend en pas dan kan de effectiviteit van het onderzoek worden beoordeeld.

"Dat het gebruik van lasertechnologie het contact kan verbeteren, moet worden aangetoond. Ik ken andere lasertoepassingen, waarin de teams van plan zijn om groeven in de elektroden te maken om de dikte van de elektroden te vergroten, d.w.z., de energiedichtheid, met behoud van goede vermogensprestaties. Deze combinatie zou goed zijn voor energieopslag, maar al deze benaderingen moeten op industriële schaal worden gedemonstreerd, "Passerini zegt, eraan toevoegend dat de industrie er erg lang over doet om gevestigde processen te veranderen, tenzij een substantiële verbetering of enorme kostenbesparing duidelijk is.

Niettemin, dit soort onderzoek kan voor bedrijven aanzienlijke kostenbesparingen opleveren, meent Muñoz. Elke doorbraak heeft een meetbare impact op de batterij-industrie en kan helpen bij het verkrijgen van meer financiering voor een laboratorium waardoor meer inspanningen in deze richting kunnen worden gedaan.

Steeds meer wetenschappelijke groepen besteden tijd aan het bestuderen van batterijen. "Er bestaan ​​verschillende niveaus van onderzoek. Ten eerste, er is toegepast onderzoek, uitgevoerd door bedrijven. Resultaten van dit soort onderzoek hebben een korte termijn impact en het risico voor het slagen van het project is laag. Ten tweede, er is onderzoek gebaseerd op incrementele verbeteringen, met impact op korte tot middellange termijn, met een hoger risico, typisch ontwikkeld door technologiecentra. Hier, werkgroepen proberen de batterijcapaciteit te verbeteren en de kosten te verlagen. Eindelijk, er is fundamenteel onderzoek met impact op middellange tot lange termijn en met een hoog risico, die doorgaans wordt uitgevoerd door onderzoekscentra of universiteiten. Hun resultaten kunnen een revolutie teweegbrengen, een paradigmaverschuiving. Teams zouden bijvoorbeeld een nieuw materiaal kunnen ontdekken voor hoogwaardige lithium-ionbatterijen, een nieuwe productiemethode, een nieuw elektrodemateriaal of een nieuwe elektrolyt die natriumion- of lithiumzwavelbatterijen op de markt zou kunnen brengen tegen Li-ion, " legt Muñoz uit.

The overall demand for better performing batteries leads to various ways of approaching the topic and synergies among different levels of research seem to be needed more than ever.