18/08/2021
Door Ad Spijkers
Nieuw batterijconcept is goedkoper, veiliger en duurzamer.
Alle voorspellingen wijzen op een drastische toename van de behoefte aan elektrische opslagsystemen voor mobiele en stationaire toepassingen. Om aan de vraag te kunnen voldoen, zijn aanzienlijke inspanningen nodig bij de verdere ontwikkeling van gevestigde batterijsystemen. Tegelijkertijd moeten in de nabije toekomst steeds meer nieuwe soorten materiaalsystemen, zogenaamde post-lithiumsystemen, op de markt worden gebracht.
Duurzame celconcepten houden behalve met veiligheids- en kostenaspecten rekening met de vervanging van kritische grondstoffen, een voor recycling geschikt ontwerp en andere eisen vanuit de circulaire economie. De aluminium-ion-batterijen die in Freiberg worden ontwikkeld, zijn hiervoor een veelbelovende batterijtechnologie.
Aluminiumfolie
Het Fraunhofer Technologiezentrum für Hochleistungsmaterialien (THM) in Freiberg (tussen Dresden en Chemnitz) doet al zo'n vijf jaar onderzoek naar lithiumvrije en op aluminium gebaseerde celchemie. Behalve een theoretisch vier keer hogere volumetrische energiedichtheid dan metallisch lithium, biedt aluminium als batterijmateriaal in de praktijk tastbare voordelen.
Deze batterijen kenmerken zich door snel laadvermogen, hoge cyclusstabiliteit en een hoog laadrendement. Ze maken geen gebruik van kritische grondstoffen, verkleinen de kans op gevaar en besparen kosten. Mogelijke toepassingen zijn stationaire, dynamische netwerkopslagsystemen voor het gebruik van hernieuwbare energiebronnen.
In lithium-ioncellen fungeert een zeer zuivere en gecoate aluminiumfolie als stroomafnemer. In de aluminium-ionbatterij (AIB) neemt een eenvoudige aluminiumfolie ook de functie van de anode over. Er worden geen speciale kwaliteitseisen gesteld aan het aluminium; goedkope folies die op de markt verkrijgbaar zijn, zijn volledig toereikend. Aluminium accu's bieden ook een hoge mate van veiligheid, omdat er geen brandgevaar is zoals bij het gebruik van lithium.
Potentieel
In de laboratoriumsystemen van het onderzoeksinstituut, met grafietpoeder als kathode, zijn al energiedichtheden van 135 Wh/kg in relatie tot de actieve massa aangetoond . De batterij kan in minder dan dertig seconden volledig worden opgeladen en ontladen. Het proces is omkeerbaar.
De onderzoekers hebben al meer dan 10.000 cycli bereikt met de laboratoriumcellen, met een laadefficiëntie van meer dan 90%. Uit onze laatste resultaten blijkt dat er meer dan twee keer zoveel laadcycli mogelijk zijn, ruim boven die van gevestigde lithium-ionbatterijen. De aluminiumcellen functioneren onder normale omgevingsomstandigheden. De onderzoekers werken met toepassingsrelevante celconcepten zoals knoopcellen en pouch-cellen.
Goedkoop, veilig, duurzaam
Door hun vereenvoudigde structuur bieden aluminium-ionbatterijen het voordeel van een meer kosteneffectieve productie met lagere verwerkingskosten. Aluminium is als grondstof niet kritisch en hoeft als batterijmateriaal niet van bijzondere kwaliteit te zijn. Ook kunnen goedkope elektrolyten op basis van ureum worden gebruikt in aluminium-ionbatterijen.
Het snellaadvermogen met hoge cyclusstabiliteit en hoge laadefficiëntie spreekt voor de elektrische eigenschappen van deze celchemie. Het relatief lage risico op gevaar, het ontbreken van kritische grondstoffen en het kostenvoordeel tonen maken van de aluminium-ionbatterij een goedkope en veilige oplossing voor toekomstige elektrische opslag.
Een realistische toepassing die binnen enkele jaren succesvol zou kunnen zijn, betreft dynamische netwerkopslagsystemen in stationaire systemen, omdat hier meestal goedkope cellen met een hoge vermogensdichtheid nodig zijn. Dergelijke opslagsystemen zijn onmisbaar voor het wijdverbreide gebruik van regeneratieve energiebronnen en daarmee een essentieel onderdeel van de energietransitie.
Foto: Fraunhofer THM