Jaarboek no. 89. 2010/2011 - Koninklijke Maatschappij voor ...

Elektriciteitopslag in batterijen maakt een sterke
groei door, voornamelijk voor mobiele toepassingen
zoals mobiele telefoons, computers en apparaten.
De introductie van lithium-ion batterijen in
de jaren negentig van de vorige eeuw heeft deze
groei en nieuwe ontwikkelingen mogelijk gemaakt.
Lithium-ion batterijen hebben de hoogste gerealiseerde
energie-opslagdichtheid voor mobiele systemen,
aanzienlijk hoger dan lood-zuur accu’s en
nikkel-metaalhydride batterijen. Voor volledig elektrisch
transport liggen lithium-ion batterijen gezien
de hoge energiedichtheid 1 voor de hand, terwijl de
eerste generaties hybride auto’s gebruik konden
maken van metaalhydride batterijen met geringere
energie dichtheid. Elektrische aandrijving van
auto’s heeft een belangrijk voordeel op het gebied
van energie efficiëntie: elektrische energie kan zeer
efficiënt in batterijen worden opgeslagen; tot 95%
van de opgeslagen energie komt er ook weer uit indien
de accu voldoende zorgvuldig wordt geladen
en ontladen. Ten tweede zijn elektromotoren zeer
efficiënt (>85%) en kunnen deze ook als dynamo gebruikt
worden om remenergie terug te winnen. In
vergelijking met benzine of diesel aandrijving heeft
een elektrische auto daardoor veel minder energie
nodig om dezelfde weg af te leggen.
Alle grote autofabrikanten hebben hybride en
volledig elektrisch transport aangekondigd, waarbij
vooral de zero-emissie en de hoge energie efficiëntie,
die vertaald kan worden naar lage bedrijfskosten,
drijvende krachten zijn. Elektrische automobiliteit
op zich is niet nieuw: rond 1900 waren elektrische
en hybride modellen even aanwezig als de
toen nog lawaaiige en minder betrouwbare diesel
en benzine varianten. In 1899 vestigde Jenatzky een
snelheidsrecord van 106 km/u met de elektrische
auto ‘La jamais contente’.
Natuurkundige voordrachten I Nieuwe reeks 88
Elektriciteitopslag voor automobiliteit: fysica en toekomstperspectief
Prof.dr. F.M. Mulder
Faculteit Technische Natuurwetenschappen, TU Delft
In figuur 1 zijn de belangrijkste componenten in
een lithium-ion batterij weergegeven. De werking
van de batterij is als volgt. In geladen toestand is
lithium opgeslagen in de anode. Lithium bevindt
zich daar op een relatief hoge chemische potentiaal.
In de kathode heeft lithium juist een zeer lage
chemische potentiaal en is dus in een veel stabielere
toestand. De elektrolyt kan alleen geladen Li + -ionen
doorlaten. Spontaan zullen Li + -ionen diffunderen
van de anode naar de kathode, hetgeen resulteert
in het positief laden van de kathode en negatief laden
van de anode. De spontane diffusie stopt zodra
het resulterende elektrische veld tegengesteld is
aan het verschil in chemische potentiaal: dan heeft
de batterij een bepaald potentiaalverschil, wat bij
de aangegeven batterij zo’n 3,5 V zal zijn. Het externe
circuit kan elektronen geleiden die energie
aan een applicatie (zoals bijv. een elektromotor)
leveren. Tegelijk met de elektronen die van anode
naar kathode gaan, diffundeert er ook weer Li + naar
de kathode. Dit gaat door totdat alle beschikbare Li
van anode naar kathode is gelopen. Daarna kan de
batterij opgeladen worden door de kathode relatief
positief en de anode negatief te maken met een externe
stroombron.
De capaciteit van een lithium-ion batterij hangt direct
samen met de Li-opslagcapaciteit van de anodeen
kathodematerialen én van het potentiaalverschil
tussen anode en kathode. Het meest bekende anode
materiaal is koolstof, dat Li op kan nemen tot LiC6 door Li te intercaleren tussen de grafietlagen. De
Kennismakingslezing gehouden voor de
Koninklijke Maatschappij voor Natuurkunde ‘Diligentia’
te ’s-Gravenhage op 13 september 2010
23