Wat er zo moeilijk is aan batterijen

De wereld is verwikkeld in een batterijrace. En de winnaar van die race wacht niet alleen eeuwige roem maar ook oneindige rijkdom. Want batterijen hebben we nodig voor van alles en nog wat, van ons gehoortoestel tot onze auto. Grote batterijen, kleine batterijen, en vooral betere batterijen, die sneller opladen, langer meegaan en hun vermogen behouden. Die verbeteringen komen maar mondjesmaat tot stand. De batterijrace is bepaald geen sprint, eerder een moeizame tocht van lange adem. Wat is er in vredesnaam zo moeilijk aan batterijen?

We stappen met een stapel domme vragen binnen bij Peter Notten, hoogleraar aan de Technische Universiteit Eindhoven. De 'batterijprofessor' wordt Notten genoemd. We zijn net op tijd; hij gaat de volgende dag met emeritaat. Dat betekent overigens niet dat Notten stopt met werken, de promovendi die hij heeft zal hij de komende jaren blijven begeleiden.

Geen spookverschijnsel

Elektrische energie is geen spookverschijnsel; die energie heeft een fysieke gedaante. Elektrische energie zijn elektronen, negatief geladen elementaire deeltjes die in de boeken op de middelbare school rond de atoomkern cirkelden. Waarom kun je die elektronen niet in een potje bewaren tot je ze nodig hebt?

Notten: "Als het al zou kunnen, zou dat potje op slag veranderen in een donderbus, want die elektronen stoten elkaar af. Maar het kán niet, omdat elektronen niet vrij zijn. Je kunt ze niet vastpakken en ergens in stoppen."

Je kunt die elektronen, die elektrische energie, wel bewaren als lading op atomen. Wat je dan doet is elektrochemie; je slaat elektrische energie op in de vorm van chemische energie. Dat is een geweldig efficiënt proces, zegt Notten, er gaat nauwelijks iets verloren. Maar het heeft wel beperkingen. Beperkingen waar je niet omheen komt, want die worden door natuurwetten gedicteerd.

Mogelijkheden zijn beperkt

Een van die beperkingen is dat de meeste atomen maar een of twee elektronen extra kunnen opnemen. Een metaal als zink kan per atoom twee elektronen afstaan en weer bergen. Mangaan kan dat met vier elektronen, maar is daarmee al uitzonderlijk. De mogelijkheden zijn beperkt, zegt Notten.

Een andere beperking is dat de atomen die de elektrochemicus gebruikt om energie op te slaan afschuwelijk groot zijn. In zijn elektrische gedaante heeft energie nauwelijks volume, maar in zijn chemische vorm wel. En dat heeft enorme gevolgen.

Wet van Moore

De micro-elektronica kent de wet van Moore, die zegt dat de rekenkracht van computers iedere twee jaar verdubbelt. Dat komt doordat de schakelingen op een chip steeds kleiner kunnen worden gemaakt. Het elektron zit niet in de weg; de enige beperking zijn de lithografische technieken om die chips te maken. En omdat die technieken steeds verfijnder worden, gaat Moore's wet op en blijft de computer groeien in rekenkracht.

Voor batterijen is er geen wet van Moore. De atomen waarin de energie wordt opgeslagen nemen nu eenmaal relatief veel ruimte in. En de chemische reacties die nodig zijn om energie in de batterijen te laden en er later weer uit te halen, hebben nu eenmaal tijd nodig. Een verdubbeling van de efficiëntie iedere twee jaar, zoals Moore zegt, is bij batterijen een illusie. De prestatie van batterijen wordt in kleine stapjes verbeterd: met een procent of 5 ieder jaar.

Bedrieglijke eenvoud

Een batterij is van een bedrieglijke eenvoud: twee staafjes in een vat. De staafjes zijn verschillend van samenstelling: het ene staafje bestaat uit een stof die wel elektronen wil afstaan, het andere is best bereid die elektronen op te nemen. Dat elektronenverkeer kan op gang komen als de twee staafjes buiten het vat met elkaar worden verbonden. Met andere woorden: als de batterij in een of ander apparaat wordt gestopt, dan sluit de kring en gaat er stroom lopen.

In een klassieke batterij gaat dat door tot de elektronendonor op is; batterij leeg. In een moderne, oplaadbare batterij, is dat proces omkeerbaar en kan met elektriciteit de begintoestand van de batterij worden hersteld; batterij opgeladen.

Lithium-ion batterij

De oplaadbare batterij die we vandaag het meest gebruiken is de lithium-ion batterij. Hij zit bijvoorbeeld in je mobiele telefoon. In die batterij staan lithium-atomen aan de negatieve elektrode (de anode) elektronen af en zwemmen als positief geladen lithium-ionen naar de andere elektrode, de kathode. Hang je de batterij aan de oplader, dan gebeurt het omgekeerde en keren lithium-ionen terug naar de anode (zie figuur).

Tekst gaat verder onder de afbeelding

Hoeveel energie je kunt opslaan in deze batterij, hangt vooral af van de hoeveelheid lithium die de elektroden kunnen bergen. Voor de anode wordt veelal koolstof gebruikt, in de vorm van grafiet. Silicium zou beter zijn, omdat het veel meer lithium kan bergen dan grafiet. Maar silicium gaat daardoor zo sterk uitzetten dat het uiteenvalt; het wordt onbruikbaar. "Dus", zegt Notten, "dan ga je kijken naar allerlei combinaties van stoffen met zoveel mogelijk silicium erin." Dat is het gesleutel van de materiaalwetenschappers, waardoor batterijen ieder jaar 5 procent beter worden.

Lucht

Los van de zoektocht naar de beste materialen, blijft het volume een belangrijke rol spelen in batterijen. De energie wordt opgeslagen in de vorm van geladen deeltjes in de elektroden. Wil je tweemaal zoveel energie opslaan dan moeten de elektroden dus twee keer zo groot zijn. Dat probleem kun je deels omzeilen, zegt Notten, door voor een van de elektroden niet een vaste stof te gebruiken, maar een gas: lucht.

Dat gebeurt in zink-lucht batterijen, die kleine platte rondjes die inmiddels een vaste plek hebben veroverd in gehoortoestellen. Notten: "Als je zo'n batterijtje moet vervangen, moet je van de nieuwe batterij een plakkertje afhalen. Daaronder zit een piepklein gaatje, waardoor de lucht naar binnen kan." In de batterij heeft de lucht de functie van de kathode, de positief geladen elektrode.

Dezelfde truc

Waar de wetenschap nu van droomt, en hard aan werkt, is een oplaadbare lithiumbatterij waarin dezelfde truc wordt toegepast. Die zou tienmaal efficiënter kunnen zijn dan de lithium-ion batterijen die we nu gebruiken.

Vele duizenden onderzoekers werken aan de ontwikkeling ervan. Maar, schat Notten, het gaat nog zeker twintig jaar duren voor de lithium-lucht batterij op de markt komt. Dat komt ondermeer door het reactieve karakter van lithium. "Het is een van de meest onedele metalen die we kennen", zegt Notten. "Lithium reageert met van alles en nog wat. Dat is een groot voordeel, want daardoor heeft de batterij een hoge spanning. Nadeel is dat lithium in de batterij allerlei reactieproducten gaat geven.

Nog even terug naar de figuur van de lithiumbatterij: gebruik je daarin lucht voor de functie van de kathode, dan zullen de lithium-ionen die daar aankomen met de zuurstof uit de lucht samen lithiumoxide vormen. De oxide slaat bij de kathode neer in de vorm van een vaste stof. Het heeft dus volume nodig. En daarbij komt dat lithium ook met andere bestanddelen van lucht zal reageren, en verbindingen zal vormen die niet in alle gevallen goed zijn voor de werking van de batterij. In de wetenschappelijke zoektocht wordt het concept steevast getest met zuurstof, niet met lucht. Wat de lithiumbatterij gaat doen als hij werkelijk met gewone lucht als kathode moet gaan werken, is nog gissen. Maar als de ontwikkeling slaagt dan brengt die een revolutie in een veld dat is gewend aan kleine, evolutionaire verbeteringen.

Elektrische auto

In de afgelopen decennia was consumentenelektronica, zoals de mobiele telefoon, de grote drijver van batterijtechnologie. Nu is dat de elektrische auto. Het wagenpark wordt geëlektrificeerd, hoe dan ook. De consument wil best elektrisch rijden, maar dan moet de auto wel snel kunnen opladen en dan lang blijven rijden. De auto-industrie zit dus te springen om batterijen die in korte tijd veel energie kunnen bergen en lang meegaan. "Dat vergt enorm veel ontwikkelingswerk", zegt Notten, "zelfs wanneer je de chemische basis van de batterij handhaaft."

Tesla besloot daarop niet te wachten. In een Tesla zitten 8000 lithium-ion batterijen bijeen gepakt. Volledig uitontwikkelde technologie. De Amerikaanse autofabrikant kwam daarmee met voorsprong op de markt. Maar die batterijen zijn wel de helft van het gewicht van een Tesla en bepalen meer dan de helft van diens prijs.

Er is voor de auto nog een andere weg. In plaats van in batterijen kun je energie ook opslaan in de vorm van waterstof. Energie, bij voorkeur uit duurzame bron, gebruik je dan om water te splitsen in zuurstof en waterstof. Die waterstof kan in een zogenaamde brandstofcel weer in water worden omgezet. Daarbij komt de energie vrij waarop de auto rijdt. Maar die waterstof moet je opslaan, in de auto zelf en in tankstations langs de weg. Dat is een flinke operatie, het is een explosieve brandstof. En, zegt Notten, je hebt dan toch nog batterijen nodig, want die brandstofcel gaat pas optimaal werken bij 80 graden Celsius.

Meeste toekomst

Elektrisch rijden heeft de meeste toekomst. En behalve milieuwinst zit daaraan nog een groot voordeel: een volledig elektrische auto kan veel goedkoper worden in productie en onderhoud. Notten: "In een benzineauto zitten zo'n 12.000 onderdelen. In een elektrische maar 1200! Dat scheelt enorm."

Er zullen wel wat aanpassingen moeten komen aan het elektriciteitsnet. Als de volledige elektrische auto - niet de hybride - regel wordt, en die moet 's nachts thuis aan de oplader, dat zal de elektriciteitsvraag van het gemiddelde gezin verdubbelen.

Daarbij komt nog een beperkende factor: grondstoffen. Als het elektrisch wagenpark gaat groeien, dreigt er een tekort aan stoffen als lithium en kobalt. Lithium heeft nog het voordeel dat het in verscheidene landen te vinden is. Maar kobalt moet voor het overgrote deel uit het weinig stabiele Congo komen. De dreigende afhankelijkheid van enkele, schaarse en dus dure grondstoffen, is een extra stimulans voor de ontwikkeling van nieuwe batterijen.

Aziatische koplopers

De lithium-ion batterijen die Tesla in zijn auto's monteert, waren er nog niet toen Japanse autofabrikanten in de jaren negentig hun hybrides lanceerden, zoals de Toyota Prius. Onder de motorkap van een hybride vind je doorgaans nikkelmetaalhydride batterijen. En de wetenschappelijke basis voor die batterijtechnologie werd niet in Japan gelegd maar in Nederland, in het Natlab van Philips. Peter Notten stond mede aan de wieg ervan; hij heeft decennia in het lab van Philips gewerkt voor hij hoogleraar werden aan de Technische Universiteit Eindhoven. "Prachtig wetenschappelijk onderzoek", zegt Notten terugblikkend. "Maar het leidde bij Philips niet tot productontwikkeling." Gevolg was dat Notten destijds, nog altijd in dienst van Philips, veel tijd in Japan doorbracht, bij bedrijven die de nieuwe batterijen wél konden ontwikkelen.

Het is een bijna klassiek westers verhaal van technologiereuzen met grote laboratoria waarin topwetenschap werd bedreven. Of er met de resultaten van die topwetenschap ook iets gebeurde, hing af van aparte afdelingen voor productontwikkeling. Die lieten op de plank liggen wat niet in de strategie van de onderneming paste. En Philips, zegt Notten, was een elektronicabedrijf, geen elektrochemische onderneming, geen maker van batterijen. En daarbij ontbrak het aan kennis en kunde om groots te investeren in de ontwikkeling van deze sleuteltechnologie.

Dat is niet alleen in Nederland gebeurd, maar ook in de Verenigde Staten. De doorbraak naar de lithiumbatterij kwam op Amerikaanse bodem tot stand, in het lab van John Goodenough. Goodenough, een grote naam in de wetenschap van batterijen, werkte niet bij een onderneming, maar aan de universiteit van Texas in Austin. Andere doorbraken kwamen tot stand in de grote nationale laboratoria van de Amerikaanse overheid. Maar tot de ontwikkeling van marktrijpe batterijen kwam het in de VS nauwelijks.

Ook de VS hebben het initiatief de afgelopen decennia uit handen gegeven aan Azië. Japan is al geruime tijd voorloper in batterijtechnologie, en nu zijn Zuid-Korea en China daar bijgekomen. In Azië werd het grote belang gezien van batterijen voor consumentenelektronica. En nu wordt, vooral in China, de druk gevoeld om met elektrische auto's iets te doen aan de verstikkende luchtverontreiniging. De Aziaten, zegt Notten, hebben op cruciale momenten de vooruitziende blik gehad die in de VS en in Europa werd gemist.

Op initiatief van de Europese Commissie lijken de grote Europese autofabrikanten en de chemie- en elektronicareuzen nu de handen ineen te slaan in een poging alsnog aansluiting te vinden bij de koplopers. Eerder deze maand, in Brussel, spraken zij af te gaan werken aan een agenda voor onderzoek en ontwikkeling van batterijtechnologie, en die in februari volgend jaar te presenteren. De Europese Commissie zou bereid zijn dat onderzoek te ondersteunen met 2 miljard euro.