Pas deze naam aan: Maria Helena Braga. Achter deze zo typisch Portugese naam vinden we een onderzoeker van de faculteit Ingenieurswetenschappen van de Universiteit van Porto die dankzij haar werk mogelijk heeft bijgedragen aan de definitieve opmars van de lithium-ionbatterijtechnologie.
Zijn bijdrage draait om de ontdekking van elektrolytglas en zou kunnen leiden tot een nieuwe generatie batterijen - solid state - die veiliger, ecologischer, betaalbaarder zullen zijn en tot 3x meer capaciteit kunnen hebben. Om te begrijpen waarom al dit enthousiasme, is het een goed idee om meer te weten over lithium-ion (Li-ion) batterijen.
Li-ionbatterijen zijn tegenwoordig de meest voorkomende. Ze hebben veel voordelen ten opzichte van andere soorten batterijen, maar ze hebben ook hun beperkingen.
We kunnen ze vinden op smartphones, elektrische voertuigen en andere elektronische apparaten. Om de nodige energie te leveren, gebruiken ze een vloeibaar elektrolyt om lithiumionen te transporteren tussen de anode (negatieve kant van de batterij) en de kathode (positieve kant).
Deze vloeistof is de kern van de zaak. Snel opladen of ontladen van lithiumbatterijen kan leiden tot de vorming van dendrieten, dit zijn lithiumfilamenten (geleiders). Deze filamenten kunnen interne kortsluitingen veroorzaken die brand en zelfs explosies kunnen veroorzaken.
De ontdekking van Maria Helena Braga
Door de vloeibare elektrolyt te vervangen door een vaste elektrolyt wordt de vorming van dendrieten voorkomen. Het was precies een vaste elektrolyt die Maria Helena Braga samen met Jorge Ferreira ontdekte toen ze werkten bij het Nationaal Laboratorium voor Energie en Geologie.
De innovatie omvat het gebruik van een massief glaselektrolyt, dat het gebruik van een anode in alkalimetalen (lithium, vast of kalium) mogelijk maakt. Iets wat tot nu toe niet mogelijk was. Het gebruik van een glasachtig elektrolyt heeft een wereld van mogelijkheden geopend, zoals het verhogen van de energiedichtheid van de kathode en het verlengen van de levensduur van de batterij.
De ontdekking werd in 2014 gepubliceerd in een artikel en trok de aandacht van de wetenschappelijke gemeenschap. Gemeenschap die John Goodenough omvat, de "vader" van de huidige lithiumbatterij. Het was 37 jaar geleden dat hij mede-uitvinder was van de technologische vooruitgang waardoor lithium-ionbatterijen commercieel levensvatbaar werden. De 94-jarige, professor aan de Universiteit van Texas, kon zijn enthousiasme voor de ontdekking van de Portugese onderzoeker niet bedwingen.
Het duurde niet lang voordat Maria Helena Braga naar de VS reisde om aan John Goodenough te laten zien dat haar glasachtig elektrolyt ionen met dezelfde snelheid kon geleiden als een vloeibaar elektrolyt. Sindsdien hebben beide samengewerkt aan onderzoek en ontwikkeling van solid-state batterijen. Deze samenwerking heeft al geleid tot een nieuwe versie van de elektrolyt.
De tussenkomst van Goodenough in de samenwerking en ontwikkeling van de solid-state batterij heeft bijgedragen aan het geven van de nodige geloofwaardigheid aan deze ontdekking.
Voordelen van Solid State-batterij:
De voordelen zijn veelbelovend:- verhoging van de spanning die een grotere energiedichtheid voor hetzelfde volume mogelijk maakt - zorgt voor een compactere batterij
- maakt snel laden mogelijk zonder dendrietproductie - meer dan 1200 cycli
- meer laad-/ontlaadcycli die een langere levensduur van de batterij mogelijk maken
- maakt het mogelijk om in een breder temperatuurbereik te werken zonder degradatie - de eerste batterijen die kunnen werken bij -60º Celsius
- mogelijk lagere kosten dankzij het gebruik van materialen zoals natrium in plaats van lithium
Een ander groot voordeel is dat de cellen kunnen worden gebouwd met milieuvriendelijke materialen, zoals het eerder genoemde natrium, dat uit zeewater kan worden gewonnen. En zelfs hun recycleerbaarheid is geen probleem. Het enige nadeel, als je het zo mag noemen, is dat het monteren van deze solide batterijen een droge en liefst zuurstofvrije omgeving vereist.
NIET TE MISSEN: "Elektrische corridors" op versterkte rijkswegen
Maria Helena Braga zegt dat er al solid state batterijen zijn: munt- of knoopcellen, muntbatterijen die bijvoorbeeld in sommige horloges worden gebruikt. Batterijen met andere afmetingen zijn ook getest in het laboratorium.
Wanneer komt dit type batterij in een auto voor?
Volgens Maria Helena Braga zal het nu afhangen van de industrie. Deze onderzoeker en Goodenough hebben de geldigheid van het concept al bewezen. Ontwikkeling zal door anderen moeten worden gedaan. Met andere woorden, het zal niet morgen of volgend jaar zijn.
De overstap van deze laboratoriumontwikkelingen naar commerciële producten is een grote uitdaging. Het kan nog wel 15 jaar duren voordat we dit nieuwe type batterij in elektrische voertuigen gaan toepassen.
Kortom, het is noodzakelijk om schaalbare en kosteneffectieve industriële processen te vinden die de industrialisatie en commercialisering van dit nieuwe type batterijen mogelijk maken. Een andere reden houdt verband met de grote investeringen die al door de meest uiteenlopende entiteiten zijn gedaan in de ontwikkeling van lithiumbatterijen. Het meest populaire voorbeeld is de Gigafactory van Tesla.
Met andere woorden, de komende 10 jaar zouden we de evolutie van lithiumbatterijen moeten blijven zien. Hun energiedichtheid zal naar verwachting met ongeveer 50% stijgen en hun kosten zullen naar verwachting met 50% dalen. Een snelle verschuiving in de auto-industrie naar solid-state batterijen is niet te verwachten.
Er wordt ook geïnvesteerd in andere soorten batterijen, met verschillende chemische reacties, die tot 20 keer meer energiedichtheid kunnen bereiken dan een huidige lithium-ionbatterij. Het is niet alleen superieur aan de drie keer meer die wordt bereikt door vaste batterijen, maar volgens sommigen zou het eerder op de markt kunnen komen.
Hoe dan ook, het toekomstscenario ziet er veelbelovend uit voor de elektrische auto. Dit soort vooruitgang moet uiteindelijk leiden tot een concurrentievermogen dat vergelijkbaar is met dat van voertuigen met verbrandingsmotoren. Toch kan het met al deze ontwikkelingen, zoals deze ontdekking door Maria Helena Braga, nog 50 jaar duren voordat elektrische voertuigen een marktaandeel van 70-80% op de wereldmarkt hebben.