Interview in het AD met Marnix Wagemaker.
“De energietransitie kan niet zonder betere batterijen. Een club van knappe koppen verenigd in BatteryNL werkt samen om nieuwe accu’s te ontwikkelen. ,,Die alternatieven komen er. Is het niet over vijf jaar, dan is het over twintig.”
Nog nooit hebben zo veel partijen in Nederland zich aangesloten voor de zoektocht naar betere batterijen. De ambitie waarmee de oprichting van BatteryNL gepaard gaat, is evenredig. De lat ligt hoog, aangezien de volgende generatie veiliger moet zijn, een langere levensduur moet hebben én meer stroom moet kunnen opslaan. Dat is nodig om te voldoen aan de eisen die samenleving en de industrie stellen. Een stabiel elektriciteitsnet en duurzame energiebronnen zijn onontbeerlijk voor een schone toekomst.
Duidelijk is dat de batterijen een hoofdrol spelen in de energietransitie. Die zijn hard nodig voor onder meer datacenters en elektrisch vervoer. ,,Die verbetering zoeken we in nieuwe materiaaltechnologie’’, zegt Marnix Wagemaker (51), projectleider van BatteryNL dat met 9,3 miljoen euro (voor acht jaar) wordt gefinancierd door de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO).
De inspanningen richten zich vooral op het hart van de batterijen, de zogeheten elektrode-elektrolyt-interfaces. Om dat te begrijpen geeft Wagemaker in zijn werkruimte in Delft een minicollege ‘wat is een batterij?’
Elke batterij heeft een min- en een pluspool (elektrodes). Daartussen zit een vloeistof die ionen bevat en hierdoor geleidend is (elektrolyt, ook wel accuzuur). Het is een soort gel die voornamelijk bestaat uit lithiumzout en zuren. Als deze drie componenten met elkaar worden verbonden, stromen elektronen van min naar plus buiten de batterij, en wordt stroom geleverd. Binnen de batterij bewegen de geladen lithiumionen tussen de plus en de min van batterij. Vooral bij het contact met de min gaan de vloeistof (elektrolyt) en het lithiumzout kapot. Hierdoor vormt zich een laagje van de beschadigde vloeistof op de plus en de min.
BatteryNL wil op dit punt verbeteringen aanbrengen. ,,In het grensvlak tussen vloeistof en plus en min gaan allerlei dingen mis’’, zegt de hoogleraar elektrochemische energieopslag, verbonden aan de faculteit technische natuurwetenschappen van de TU Delft. ,,Er vinden reacties plaats waardoor het elektrolyt en de min- en plus-elektrodes kapot gaan. We kunnen die grensvlakken verbeteren door bijvoorbeeld hele dunne laagjes extra beschermend materiaal op de elektrodes aan te brengen. Waardoor alles minder snel kapot gaat.”
Dat extraatje vraagt mogelijk om een extra stap in de batterijproductie. ,,Dan introduceer je dus nieuwe technologie, maar niet een compleet nieuw type batterij. Wij richten ons op bestaande en veelbelovende min- en plus-elektrodes, met name ook op veelbelovende materialen die in Nederland worden ontwikkeld. Kijk naar een start-up als LeydenJar. Dat ontwikkelt plus- en minpolen van silicium, een mineraal dat overal op aarde voorkomt.” Daardoor kan er aanzienlijk meer energie worden opgeslagen in lithium-ion batterijen.
Uniek
Dat BatteryNL zo breed wordt gedragen, is uniek. ,,Mijn collega’s Mark Huijben (Twente), Moniek Tromp (Groningen), Adriana Creatore (Eindhoven), Petra de Jongh (Utrecht) en ik wilden dit al heel lang. Om niet op aparte eilandjes maar samen in Nederland te werken aan betere batterijen. We hebben hier geen grote auto- of batterij-industrie zoals in Duitsland en China, maar met zes universiteiten, vijf hogescholen en start-ups waar veel kennis zit, was dit een goed moment om een nationaal programma op te zetten. We zijn er echt aan toe’’, zegt Wagenaar.
Zal de samenstelling van het elektrolyt, de geleidende stof tussen de elektrodes, ooit veranderen? Van vloeibaar naar vast? ,,Vloeistof geleidt goed. De belangrijkste reden om ervan af te willen, is veiligheid. De vloeistof kan verdampen in brandbare deeltjes en met een vonk erbij ontstaat kortsluiting. Heel af en toe komt dit voor. Daarom wordt er gepleit voor een vaste stof. Toyota werkt hier al dertig jaar aan, maar het is heel lastig. Je moet een vast elektrolyt hebben die de onstuimige reacties met de lithiumhoudende elektrodes in toom houdt. Die vaste stof moet goed contact maken met de elektrodes en daar is tot op heden heel veel druk voor nodig. Met een vaste stof wordt de batterij ook zwaarder’’, legt de hoogleraar uit.
Kortom, in het batterijonderzoek zorgt een oplossing al snel voor twee nieuwe problemen? ,,Precies, en daarom gaat het zo ontzettend moeizaam. Ik heb veel vaker in doodlopende steegjes gelopen dan dat er licht gloort aan het einde. Maar er leiden meer wegen naar Rome. Dit is een spannend speelveld waar we nog veel moeten leren en ontdekken.’’
Stap voor stap
Bij de presentatie van BatteryNL werd geopperd dat de samenwerking binnen acht jaar zou moeten leiden tot een volgende generatie batterijen. Hoe hard is deze deadline? ,,We hangen liever geen jaartallen aan ons onderzoek. Hoe kun je een tijdpad plakken aan zaken die nog niet begrepen zijn, en de nog te ontwikkelen oplossingen? Wie ben ik om te zeggen dat we over vijf jaar dit en dat moeten hebben bereikt? We werken vanuit intrinsieke motivatie, stap voor stap’’, aldus Wagemaker.
Een van de laatste, opmerkelijke stappen is een succesvolle proef met een mix van vijf zouten in een lithium-ion batterij. Dat leidde tot een aanzienlijke verlenging van de levensduur. ,,In ons laboratorium gaan diverse typen lithium-ion- batterijen dankzij deze doorbraak soms wel tot twee keer zo lang mee.”
Wagemaker wijst erop dat alleen de ontwikkeling van nieuwe technologie niet genoeg is. Je moet die ook kunnen omzetten in daadwerkelijke toepassing. ,,Maar’’, zegt hij, ,,ik ben ervan overtuigd dat ons gaat lukken en dat is belangrijk. Batterijen spelen een hoofdrol in onze energietransitie.”
Kwetsbaarheid
Het huidige elektriciteitsnet bereikt immers de grenzen van zijn totale capaciteit. Het net kan de groei van energie die wordt gewonnen door windmolens en zonnepanelen nauwelijks aan, en raakt overbelast. Met energieopslag in batterijen – eventueel aan huis – kan die kwetsbaarheid worden teruggedrongen.
Wagemaker: ,,Er wordt steeds meer ingezoomd op de ontwikkeling van een batterij die heel goed is in het kortstondig opslaan van zon- en windenergie. Dat stelt andere eisen aan een accu. De lithium-ion batterij van nu slaat heel goed energie op, maar is eigenlijk ontwikkeld voor licht, mobiel gebruik en is relatief duur. Op het moment dat de batterij stil kan staan op een vaste plek, speelt gewicht en grootte geen grote rol meer, en zijn andere batterijchemieën wellicht interessanter.”
Moeten we naar verschillende type accu’s? ,,Precies. Mijn verwachting is dat je allerlei verschillende batterijen gaat krijgen voor verschillende toepassingen, met alternatieven voor lithium, want de voorraad daarvan is op den duur waarschijnlijk beperkt. Voor vaste opslag is de natrium-ion- batterij misschien wel veel logischer. Deze batterij begint zijn intrede al te maken en is in vergelijking met lithium-ion iets zwaarder. In de nabije toekomst verwacht ik ook batterijconcepten zoals natrium-ion. Dan heb je met eenzelfde concept een batterij die weliswaar zwaarder maar superveilig en supergoedkoop is, want natrium is overal voorradig. Dan heb je geen lithium nodig, waarvoor we afhankelijk zijn van Australië, China en Argentinië, en waarvan de ontginning het milieu vervuilt.”
De batterij staat nog in de kinderschoenen, zegt de professor. ,,We hebben er nu nog maar een paar, met loodzuur, nikkel-metaalhydride en diverse soorten lithium-ion. Binnenkort is er natrium-ion en zijn er mogelijkheden voor magnesium-ion, fluoride-ion et cetera. Er is een woud aan batterijenchemieën mogelijk. Daar moeten we nu de goede uit kiezen. Die alternatieven komen er. Is het niet over vijf jaar, dan is het over twintig jaar.”
Zie ook: https://lnkd.in/e-gSDW7E
Foto: TU Delft/Scixel
