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

Natuurkundige voordrachten I Nieuwe reeks 89
Elektriciteitopslag voor automobiliteit
26
langer aan de Li-arme fase vastgehouden en vice
versa. Het veranderde Li-insertie gedrag heeft een
direct gevolg voor de Li-diffusie door het materiaal,
aangezien deze sterk afhankelijk is van de Li-dichtheid
in een materiaal en de beschikbare vrije diffusie
paden. Als er meer vacatures ontstaan in de Li-rijke
fase door veranderde solubility limits, heeft dat in
het algemeen een sterk positief effect op de Li-diffusiesnelheid,
zoals geïllustreerd in figuur 3.
Naar hogere energiedichtheden
Het onderzoek naar batterijmaterialen richt zich
niet alleen op het verbeteren van de bekende materialen,
maar ook op nieuwe materialen die tot
een aanzienlijk hogere energiedichtheid kunnen
leiden. De winst die op termijn mogelijk gehaald
kan worden, moet dan uit de drie componenten
anode, kathode en elektrolyt komen. Wat betreft de
anode kan een factor van ca. 1,5 gehaald worden,
als de Li-Si alloys of eventueel Li-metaal met nog
minder additieven gerealiseerd kunnen worden.
Het pure metaal is nu niet mogelijk omdat bij het
herladen Li niet als laag aangroeit, maar als puntige
kristallen die kortsluiting kunnen veroorzaken. Wat
betreft de kathode zou er afstand gedaan moeten
worden van het gebruik van de overgangsmetalen
en Li gebonden moeten worden aan lichte elementen
zoals O (Li2O2 ) 12, 13 of S (Li2S). 14 De reversibiliteit
Figuur 2
Li-rijke (zwart) en Li-arme fasen
in een korrel van een elektrode
materiaal. In grijs is het deel van
het materiaal aangegeven dat
de invloed van oppervlakken of
interfaces voelt. De grafieken
eronder geven aan welke invloed
van interfaces respectievelijk
oppervlakte-energieën te
verwachten is als functie van de
deeltjesgrootte.
van de vorming van de sulfides en oxides is recentelijk
aangetoond. De winst in energiedichtheid van
de hele batterij zou zo’n factor 3-5 kunnen zijn. Als
derde factor is te noemen een verbetering van de
geleiding van ionen, die het mogelijk moet maken
om in de pakking van de elektrodematerialen dikkere
lagen te gebruiken (wat leidt tot minder inactief
materiaal). Dat zou een factor van ca. 1,5 moeten
kunnen opleveren. In totaal komen we dan op een
factor 7-11 hogere energie dichtheid bij realisatie
van al deze factoren. Het is interessant om te zien
dat een autoaccu die geschikt is om 500km te rijden,
dan slechts zo’n 60 kg zou kunnen gaan wegen, hetgeen
overeenkomt met een volle benzinetank.
Grootschalige elektriciteitopslag
De rol van directe elektriciteitopslag in batterijen
gaat in potentie aanzienlijk verder dan alleen mobiele
toepassingen. In een toekomst waar steeds
meer duurzame elektriciteit opgewekt gaat worden
in de vorm van zonne-energie en windenergie, zal
het zeer voordelig zijn om deze elektriciteit gedurende
enige tijd op te kunnen slaan. De reden hiervoor
is dat de fluctuaties in het elektriciteitsaanbod
van zowel zonne- als windenergie met een periode
van een etmaal fluctueren tussen een maximum en
een minimum. Als men bijvoorbeeld kijkt naar de
windsnelheid gemiddeld over het oppervlak van