Energie voor onderweg

Of het nu gaat om een zaklamp of een Tesla: ze werken niet zonder batterijen en accu's. Maar wat is de accutechnologie van de toekomst? Over de hele wereld wordt onderzoek gedaan naar nieuwe oplossingen.

In e-mobiliteit gaat niets zonder hen: accu's. Ze leveren "stroom" voor talloze voertuigen en toepassingen die juist interessant zijn omdat ze niet de hele tijd op een stopcontact hoeven te worden aangesloten. Hoewel de technologie in deze sector de afgelopen decennia een enorme vooruitgang heeft geboekt, lijken batterijen nog altijd ouderwets in vergelijking met geavanceerde hightechelektronica. De microprocessor van een smartphone is bijvoorbeeld in staat om binnen seconden miljarden bewerkingen uit te voeren. Maar een batterij opladen duurt uren. Bovendien zijn batterijen het zwaarst van alle geïnstalleerde componenten. Consumenten vinden dit wellicht vervelend, maar het ligt in de aard van het beestje dat energieopslagsystemen en de chemische reacties die daarin plaatsvinden niet op dezelfde schaal geminiaturiseerd kunnen worden als halfgeleiders. In ons dagelijks leven komen we verschillende typen batterijen en  accu's tegen.

• goedkope alkalinebatterijen, bijvoorbeeld in afstandsbedieningen en horloges
• nikkel-cadmiumaccu’s, vergelijkbaar met alkalinebatterijen, maar oplaadbaar
• lithiumionaccu's, bijvoorbeeld in camera’s, boormachines en elektrische auto’s
• lithiumpolymeeraccu’s, bijvoorbeeld in smartphones en tablets. Lithiumpolymeeraccu’s zijn een speciaal type lithiumionaccu die zeer plat kan worden gebouwd, omdat in plaats van een gel-elektrolyt een vloeibare elektrolyt wordt gebruikt. Ze zijn echter gevoeliger dan lithiumionaccu's.

Hoewel lithiumaccu's tegenwoordig de gouden standaard zijn, hebben ze bepaalde nadelen die niet over het hoofd moeten worden gezien. De meeste mensen kennen beelden van smartphones of elektrische auto’s waarvan de accu's in brand zijn gevlogen of zelfs zijn ontploft. Dat is een horrorscenario. Dit is de reden dan overal op de wereld onderzoek wordt gedaan naar nieuwe typen accu's en nieuwe accutechnologieën. Het doel: kleinere afmetingen, lager gewicht, minder laadtijd en een lagere prijs van accu's bij gelijktijdige verhoging van de veiligheid. Daarnaast zijn de elementen lithium en kobalt (de hoofdcomponenten van veel accu's) niet in onbeperkte hoeveelheden beschikbaar.

Magnesiumbatterijen kunnen een mogelijke opvolger zijn. Deze technologie staat in het middelpunt van een onderzoeksproject aan het Karlsruhe Instituut voor Technologie (KIT) en het Helmholtz Instituut in Ulm. “Een magnesiumbatterij biedt doorslaggevende voordelen ten opzichte van conventionele lithiumionbatterijen,” schrijft het KIT in een persbericht. “Als anode materiaal, is magnesium veiliger en beter geschikt voor een hoger energiedichtheid.” Een ander voordeel: magnesium komt veel meer voor (ca. 3.000x meer) dan lithium en is eenvoudiger te recyclen. “Als de ontwikkeling in Europa goed verloopt, kunnen magnesiumbatterijen eventueel helpen om de dominantie van Aziatische batterijfabrikanten te reduceren en een concurrerende batterij-industrie in Europa op te bouwen,” schrijft KIT verder. Een andere verrassende kandidaat voor een zogenoemde vastestofbatterij, is glas. Het natrium in glas is een van de meest voorkomende elementen. Dergelijke batterijen met een speciale glaselektrolyt kunnen potentieel binnen minuten worden opgeladen, terwijl ze veiliger zijn dan ontvlambare lithiumionbatterijen. Het zal echter nog even duren voordat deze batterijtechnologie klaar is voor de markt en lithiumionbatterijen kan vervangen.

maxon verkent de batterijenwereld

Batterijen gemaakt door aandrijfspecialist maxon? Wat misschien klinkt als een plan voor de toekomst is al werkelijkheid. maxon zette eerste stappen in de wereld van energieopslag met de ontwikkeling van de BIKEDRIVE, een achteraf te monteren set die van een normale fiets een e-bike maakt. Na enkele problemen met de batterijleverancier, besloot maxon zijn eigen batterijen te bouwen. Dit is echter makkelijker gezegd dan gedaan. De productie van batterijen vereist creativiteit van ingenieurs, technische kennis en speciale werktuigen. “Voor ons is dit een relatief nieuwe, maar spannende sector,” zegt Benny Keller van maxon, Geavanceerde Robotica & Systemen (Mars).

Een batterijpakket bestaat uit meerdere individuele cellen die een typische spanning van 3,7 V leveren. Afhankelijk van de bedradingswijze van deze cellen, heeft het batterijpakket verschillende specificaties. Als de cellen in serie zijn bedraad, worden de spanningen bij elkaar opgeteld. Door parallelle bedrading wordt het accuvermogen verhoogd. De totstandkoming van een optimale combinatie van dergelijke individuele cellen vereist speciale vaardigheden en technische kennis. “Daarnaast zijn er veel veiligheidsnormen waaraan moeten worden voldaan,” verklaart Benny Keller. Een batterijpakket is nog niet af als de cellen professioneel zijn vastgelijmd en bedraad. Er is ook een batterijbeheersysteem (BMS) vereist. De elektronica wordt meestal op een printplaat in de accubehuizing gemonteerd. De specialisten bij maxon hebben hun eigen BMS ontwikkeld en geproduceerd. Het BMS zorgt ervoor dat de cellen gelijkmatig worden opgeladen en ontladen. Dit is essentieel voor de levensduur van de accu. Er zijn ook veiligheidsaspecten verbonden aan een BMS. Het voorkomt bijvoorbeeld dat een accu wordt geladen of belast bij extreem lage of hoge temperaturen.

Het is duidelijk dat maxon als nieuwkomer niet vanaf dag één kan beginnen met massaproductie. De werkplaats in Giswil is echter zeer goed uitgerust voor de productie van prototypen en kleine batches. Voor grotere hoeveelheden is maxon afhankelijk van gerenommeerde fabrikanten in het zuiden van Duitsland. Vanzelfsprekend worden maxon accu’s ontworpen voor e-mobiliteit en roboticatoepassingen.