Mijlpalen voor batterij- en energieonderzoek

Klimaatverandering, CO2-stijging aan de ene kant en een groeiende wereldbevolking met schaarser wordende hulpbronnen aan de andere kant, voeren de discussie over de uitstap uit kolencapaciteit en het vervangen van fossiele brandstoffen op. De algemeen gevraagde energietransitie roept grote verwachtingen op en brengt nog grotere uitdagingen met zich mee. Klimaatbeschermingspakketten en de meest diverse programma's voor het verminderen van CO2-uitstoot worden door wetenschap, industrie en politiek evenzeer geëist en ontwikkeld. Toekomsttechnologieën zoals alternatieve energieopwekking en nieuwe energieopslagconcepten, evenals de daarvoor noodzakelijke nieuwe materialen, zijn voorwaarden en essentieel voor de succesvolle uitvoering van de energietransitie. Grote verwachtingen worden gesteld aan batterijonderzoek en elektromobiliteit wordt zelfs als de hoopdrager beschouwd. De wedloop om tijd en de beste concepten is begonnen.

Toekomsttechnologieën

Momenteel en in de nabije toekomst blijven lithiumbatterijen de ultieme krachtpatsers in mobiele en stationaire energievoorziening. Alleen dankzij hen werd elektromobiliteit mogelijk en praktisch haalbaar. Met het oog op de schaarste aan hulpbronnen worden echter dringend alternatieven gezocht. Aangezien de ontwikkeling van hoogpresterende batterijsystemen uiterst complex blijkt te zijn, vereist dit interdisciplinaire onderzoeksstrategieën en netwerken in wetenschap en industrie.

Batterijen van de volgende generatie

De ontwikkeling van duurzame en milieuvriendelijke energieopslag behoort tot de grote uitdagingen van de energietransitie. De tot nu toe zeer succesvolle compacte lithium-ionbatterijen hebben vanwege hun uitstekende energie- en vermogensdichtheid een groot marktpotentieel, maar zijn in de productie zeer kostbaar en twijfelachtig geworden vanwege de energiebehoefte en de toenemende vraag naar waardevolle en schaarser wordende grondstoffen zoals lithium en kobalt. Daarom wordt steeds meer geëist dat er energie-efficiëntere, krachtigere, kosteneffectievere en milieuvriendelijkere alternatieven komen. Natrium-ionbatterijen zouden in de toekomst passende oplossingen kunnen bieden.

De behoefte aan onderzoek is groot. "Deze onderzoeksrichting beleeft momenteel een stormachtige bloei. In Duitsland heeft de Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) in april een Schwerpunktprogramma opgericht (EUR 12,6 miljoen, looptijd 6 jaar) en de EU een Training Network (ITN, EUR 4 miljoen, looptijd 4 jaar) – beide programma's mag ik coördineren," deelt Professor Dr. S. Ulrich Schubert van het "Zentrum für Energie und Umweltchemie" (Center for Energy and Environmental Chemistry Jena – CEEC Jena) van de Friedrich-Schiller-Universität Jena mee. "De interesse en de investeringen van Evonik Industries AG tonen duidelijk ook het economische potentieel. En er is nog steeds een enorm grote interesse uit China en Japan."

Ook het Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) financiert het samenwerkingsproject "Transition" voor duurzamere energieopslag met 1,15 miljoen euro. Aan het project nemen deel het door het Karlsruher Institut für Technologie (KIT) opgerichte Helmholtz-Institut Ulm (HIU), het Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) en opnieuw de Friedrich-Schiller-Universität Jena (FSU). Het doel is een alternatief te ontwikkelen voor traditionele lithium-ionbatterijen. Ook in dit project onderzoeken wetenschappers geschikte actieve materialen en elektrolyten voor natrium-ionbatterijen van de volgende generatie.

"Polymeer-gebaseerde batterijen, dat wil zeggen batterijen die polymeren gebruiken als actieve materialen voor de opslag van elektrische energie, worden sinds 2011 intensief onderzocht in mijn werkgroep," merkt Professor Schubert op. "Daarbij konden we voor het eerst een dunne film-batterij presenteren die met inkjetprinttechnologie is vervaardigd. Ook hebben we een reeks nieuwe actieve materialen gepatenteerd en gepubliceerd. Het bedrijf Evonik Industries AG is momenteel bezig deze nieuwe polymeren als printbare inkten te commercialiseren (onder de merknaam 'TAeTTOOz')."

De innovatieve batterijen moeten duurzaam en milieuvriendelijk, kosteneffectief en bovendien hoogpresterend zijn. De ontwikkeling van nieuwe, metaalvrije en printbare energieopslag op polymeren opent toekomstgerichte toepassingsgebieden in de gezondheidszorg, de sensoriek en het Internet of Things. "Dit betreft vooral de sector van de printbare dunne film-batterijen. Van actieve RFIT-tags tot 'pleisters' voor het doorgeven van gezondheidsfuncties en slimme kleding," vult Professor Dr. Ulrich Schubert aan.

Energie-efficiëntie en High Performance

Batterijen moeten ook onder de moeilijkste omstandigheden hun functionaliteit en prestaties bewijzen. Tegelijkertijd moeten gevaarlijke situaties en risico's bij verkeerd gebruik en vernietiging over de gehele levenscyclus worden uitgesloten. En vooral in de discussie over elektromobiliteit staat de lange termijn operationele betrouwbaarheid van batterijcellen centraal.

Nieuwe batterijen op kunststofbasis bieden talrijke voordelen ten opzichte van de gevestigde lithium-ionbatterijen. De productie van dergelijke batterijen is al veel energie-efficiënter vanwege de gebruikte organische en polymeren materialen. Polymere actieve materialen vereisen een veel kleinere CO2-voetafdruk bij de productie. Daarnaast zijn deze over het algemeen minder toxisch en ontvlambaar. En deze batterijen kunnen worden verwerkt met druktechnieken (siebdruk, inkjetprinten, roll-to-roll-printen).

Hetzelfde geldt voor hun toepassing. Tenslotte worden ook de verwijdering en recycling milieuvriendelijker en aanzienlijk kosteneffectiever. Batterijen met polymeren als actief elektrode materiaal zijn bovendien duurzamer omdat ze geen gebruik maken van zware metalen. Het prototype van een natrium-ionbatterij zoals uit het Verbundprojekt Transition bestaat uit anode van hardkool op biomassa-basis in combinatie met waterige bindmiddelen en aluminium als stroomafnemer, en uit overgangsmetalloden op de kathode. Verbeterde structuur-eigenschaprelaties vormen bovendien de basis voor gecontroleerde elektrochemische reacties.

Elektromobiliteit

Kort- en middellangetermijn blijven lithium-ionbatterijen de motor voor alle vormen van elektromobiliteit vanwege hun prestaties en energiedichtheid. Ze garanderen bedrijfsduur en bereik afhankelijk van externe omstandigheden zoals inzetgebieden, temperaturen en rijgedrag. Naar verwachting zullen natrium-ionbatterijen de lithium-ionbatterijen niet vervangen, maar volgens deskundigen slechts aanvullen. Op het gebied van elektromobiliteit worden ook de watertechnologieën, onder naleving van verschillende veiligheidsaspecten, zeker als potentieel erkend.

Analyse en Karakterisering

Elk onderzoeks- en ontwikkelingsresultaat is zo goed als de procesgerelateerde analyse die eraan ten grondslag ligt. Daarom zijn moderne analysemethoden voor het bepalen van elektrolyten en het identificeren van sporenstoffen, grondstoffen en materiaalelementen in de batterijonderzoeken onmisbaar van vandaag. De nieuwste apparaattechnologieën voor dergelijke metingen en materiaalanalyses worden in hun volledige breedte getoond op de analytica in München. Experts presenteren op de wereldtentoonstelling analytica de nieuwste technologieën en methoden uit chromatografie, spectrometrie, microscopie, oppervlakte- en ionenanalyse. In het Live Lab Kunststoffenanalyse/Polymeren wordt bovendien live geëxperimenteerd. Daar krijgen geïnteresseerden de mogelijkheid om in een echt laboratorium de innovaties op het gebied van kunststof- en materiaalanalyse live te ervaren.

Van 30 maart tot 3 april informeert de vakwereld zich op de analytica in München over de belangrijkste innovaties in de branche. Deskundigenkennis en innovatieve analysetechnologieën bieden een enorme meerwaarde voor het onderzoek naar nieuwe batterijsystemen. In München bieden de bijbehorende kerntechnologieën een vooruitblik op de toekomst.