Er is veel te doen op het gebied van batterijen en energieopslag. Daarbij wordt de problematiek van stroomopslag vaak onderschat. Een gestage evolutie in de batterijenwereld is waarschijnlijker dan een revolutie. Het nieuwe batterijenlab van de TU Delft richt zich vooral op onderzoek naar mogelijke alternatieven voor de huidige standaardtechniek, de lithium-ion batterij. 

Verwarrende tijden

‘We leven in verwarrende tijden als het gaat om batterijen en energieopslag’, zegt prof. Fokko Mulder van de TU Delft. Er zijn volgens hem, mede door de opkomst van energie uit duurzame bronnen zoals wind en zon, misconcepties ontstaan over de mogelijkheden en onmogelijkheden van energieopslag. Dat begint al met het feit dat nu maar ongeveer 13 procent van onze gebruikte energie ‘bestaat’ uit elektriciteit, maar in een duurzame toekomst waarschijnlijk een stuk meer.

Grootschalige elektriciteitsopslag is noodzakelijk omdat het aanbod van stroom uit duurzame energiebronnen zoals wind en zon nu eenmaal inherent fluctueert. Elektriciteit kun je niet opslaan, dus moet je iets anders verzinnen. ‘Er zijn momenteel wat te hoge verwachtingen over snelle verduurzaming en ook de mogelijke rol van batterijen bij grootschalige energieopslag. Rond energieopslag en -buffering via de accu’s in elektrisch auto’s, is bijvoorbeeld veel te doen. Maar op die manier kun je uiteindelijk slechts een heel klein deel van de toekomstige duurzame elektriciteitsproductie opslaan, zelfs als iedereen in Nederland volledig elektrisch zou rijden.’

‘Het komt er technisch en financieel op neer dat batterijen alleen gewoon niet genoeg zijn om alle grote pieken en dalen in de duurzame elektriciteitsproductie door het jaar heen op te vangen’, zegt Mulder. ‘Vooral opslag over langere tijd is niet efficiënt en te duur met batterijen. Daar moet je hele andere systemen voor hebben.’

Er is hoe dan ook grote behoefte aan opslag van elektriciteit, zowel voor de korte termijn als voor de lange termijn (weken/seizoenen). Voor de korte termijn is opslag in batterijen wel het beste idee, maar voor langere termijnen is opslag van energie in kunstmatig geproduceerde brandstoffen, zoals waterstof, het meest geschikt.

Battolyser

Mulder ziet voor de grootschalige opslag van energie uit duurzame bronnen meer in een andere, gecombineerde aanpak. De door zijn groep ontwikkelde battolyser is daar een voorbeeld van. Deze is gebaseerd op de aloude nikkel-ijzer batterij. Tijdens het opladen vormen de elektrodes van deze batterij twee materialen (NiOOH en gereduceerd Fe). In de elektrolysewereld zijn deze materialen bekend als katalysator voor de elektrochemische reactie die waterstof en zuurstof oplevert. De elektrodes maken daarmee in geladen toestand de elektrolyse van water mogelijk. Dat er bij deze nikkel-ijzer batterij tijdens het laden ook waterstofgas wordt geproduceerd, werd volgens Mulder altijd als lastig nadeel gezien en dit was een van de redenen dat andere batterijtypes uiteindelijk succesvoller werden. Maar nu zou het dus juist een voordeel kunnen zijn.

Elektriciteit en waterstof zijn altijd beschouwd als twee gescheiden en zelfs concurrerende oplossingen voor energieopslag, zegt Mulder. ‘Met de battolyser hebben we nu voor het eerst een geïntegreerd batterij-elektrolyse-apparaat gemaakt dat heel efficiënt elektriciteit kan opslaan en leveren als een batterij; en wanneer de batterij vol is vanzelf water gaat splitsen in waterstof en zuurstof door elektrolyse. De battolyser blijkt bovendien stabiel, zowel als batterij en als elektrolyser, ook bij lang en intensief laden, ontladen en waterstofproductie. De battolyser verbindt daarmee als eerste op een natuurlijke wijze de infrastructuur voor elektriciteit-opslag en die voor waterstofgasproductie. We hebben zowel batterijopslag als brandstoffen nodig.’

Veiligheid

Al met al voorspelt Mulder een gestage vooruitgang op het gebied van energieopslag en batterijen, gedreven door een steeds grotere noodzaak om te gaan opslaan. Dat wordt bevestigd door dr. Erik Kelder van de groep Fundamental Aspects of Materials and Energy (FAME) van de TU Delft. ‘Ik zie in de toekomst veel meer een evolutie dan een revolutie in de batterijenwereld.’

Het batterij-onderzoek is volgens Kelder de afgelopen jaren sterk gegroeid en is ook strategisch steeds meer van belang. De grote driver bij batterijen zijn de mobiele toepassingen. Maar batterijen zijn en worden ook belangrijke hulpmiddelen voor andere toepassingen dan mobiele elektronica, bijvoorbeeld elektrische voertuigen en menselijke implantaten. Strategisch gezien heeft Europa maar een heel klein deel van de wereldproductie in handen. China, Zuid-Korea, Japan en de VS zijn duidelijk belangrijkere spelers.

‘Er zijn drie bepalende factoren bij de ontwikkeling van batterijen: veiligheid, kostprijs en energiedichtheid (hoeveel energie je kunt opslaan in een batterij). Alles op het gebied van batterijen begint eigenlijk met veiligheid. Eén incident en je bent weer zo’n beetje terug bij af’, zegt Kelder. ‘Los van de veiligheid richt men zich in de wetenschap vooral op het verhogen van de energiedichtheid, zodat je meer energie kunt opslaan in een batterij.’

De standaardtechniek is nu de lithium-ion batterij. Daar zit volgens Kelder technologisch nog zeker wel wat rek in. ‘Maar dan heb je het misschien maximaal over een factor 1,5 verbetering in energiedichtheid. Wil je een écht grote slag maken in energiedichtheid, dan moet er gewoon een alternatief komen voor de Li-ion batterij.’

Strategisch

En precies om die alternatieven te ontwikkelen, is eerder dit jaar het nieuwe batterijenlab van de TU Delft van start gegaan (in april officieel geopend in het RID). Daar werken onderzoekteams aan de volgende generatie batterijen.

Volgens Kelder liggen er momenteel wetenschappelijk gezien veel opties op de tafel. ‘Er zijn allerlei concepten in onderzoek. Zelf denk ik dat een Li-zwavel variant misschien een tussenoplossing kan zijn op weg naar een hele nieuwe generatie batterijen.’

Met een andere insteek, zoals het vervangen van lithium door natrium, win je volgens Kelder niet veel. ‘Dan kun je beter kijken naar het vervangen van lithium door bijvoorbeeld calcium of magnesium. En verder zijn er mogelijke varianten met onder meer zink, lucht en water.’

Het is volgens Kelder moeilijk te voorspellen wat de beste optie gaat worden. Belangrijk is te beseffen dat al de genoemde alternatieven waarschijnlijk nog ruim de tijd nodig hebben om rijp te worden voor echte toepassing en daarmee een realistische bedreiging te vormen voor de Li-ion batterijen. ‘Dat kan misschien nog wel decennia duren. Er is vooral nog veel fundamenteel materialenonderzoek nodig.’

Zichtbaar

De tijd was dus duidelijk rijp voor een nieuw batterijenlab. Het nieuwe lab mag uniek in Nederland worden genoemd. Het is groter geworden met meer mogelijkheden voor onderzoek. Bovendien zitten alle faciliteiten in de labs centraal bij elkaar op een plek en kan de combinatie gemaakt worden met de infrastructuur van het RID, inclusief de technieken ‘operando XRD’ en neutronendiepteprofilering, neutronendiffractie en vaste stof NMR. Met de technieken zijn bijvoorbeeld lithiumatomen zichtbaar te maken.

In het laboratorium worden verder diverse coating- en prepareertechnieken toegepast en wordt Scanning Electrochemical Microscopy gekoppeld aan Atomic Force Microscopy, waarmee op atomaire schaal in batterijen wordt gekeken. Hiermee is men in staat om de complexe processen in batterijen beter te begrijpen, zodat er uiteindelijk betere batterijen kunnen worden ontwikkeld.

Verwarrende tijden

‘We leven in verwarrende tijden als het gaat om batterijen en energieopslag’, zegt prof. Fokko Mulder van de TU Delft. Er zijn volgens hem, mede door de opkomst van energie uit duurzame bronnen zoals wind en zon, misconcepties ontstaan over de mogelijkheden en onmogelijkheden van energieopslag. Dat begint al met het feit dat nu maar ongeveer 13 procent van onze gebruikte energie ‘bestaat’ uit elektriciteit, maar in een duurzame toekomst waarschijnlijk een stuk meer.

Grootschalige elektriciteitsopslag is noodzakelijk omdat het aanbod van stroom uit duurzame energiebronnen zoals wind en zon nu eenmaal inherent fluctueert. Elektriciteit kun je niet opslaan, dus moet je iets anders verzinnen. ‘Er zijn momenteel wat te hoge verwachtingen over snelle verduurzaming en ook de mogelijke rol van batterijen bij grootschalige energieopslag. Rond energieopslag en -buffering via de accu’s in elektrisch auto’s, is bijvoorbeeld veel te doen. Maar op die manier kun je uiteindelijk slechts een heel klein deel van de toekomstige duurzame elektriciteitsproductie opslaan, zelfs als iedereen in Nederland volledig elektrisch zou rijden.’

‘Het komt er technisch en financieel op neer dat batterijen alleen gewoon niet genoeg zijn om alle grote pieken en dalen in de duurzame elektriciteitsproductie door het jaar heen op te vangen’, zegt Mulder. ‘Vooral opslag over langere tijd is niet efficiënt en te duur met batterijen. Daar moet je hele andere systemen voor hebben.’

Er is hoe dan ook grote behoefte aan opslag van elektriciteit, zowel voor de korte termijn als voor de lange termijn (weken/seizoenen). Voor de korte termijn is opslag in batterijen wel het beste idee, maar voor langere termijnen is opslag van energie in kunstmatig geproduceerde brandstoffen, zoals waterstof, het meest geschikt.

Battolyser

Mulder ziet voor de grootschalige opslag van energie uit duurzame bronnen meer in een andere, gecombineerde aanpak. De door zijn groep ontwikkelde battolyser is daar een voorbeeld van. Deze is gebaseerd op de aloude nikkel-ijzer batterij. Tijdens het opladen vormen de elektrodes van deze batterij twee materialen (NiOOH en gereduceerd Fe). In de elektrolysewereld zijn deze materialen bekend als katalysator voor de elektrochemische reactie die waterstof en zuurstof oplevert. De elektrodes maken daarmee in geladen toestand de elektrolyse van water mogelijk. Dat er bij deze nikkel-ijzer batterij tijdens het laden ook waterstofgas wordt geproduceerd, werd volgens Mulder altijd als lastig nadeel gezien en dit was een van de redenen dat andere batterijtypes uiteindelijk succesvoller werden. Maar nu zou het dus juist een voordeel kunnen zijn.

Elektriciteit en waterstof zijn altijd beschouwd als twee gescheiden en zelfs concurrerende oplossingen voor energieopslag, zegt Mulder. ‘Met de battolyser hebben we nu voor het eerst een geïntegreerd batterij-elektrolyse-apparaat gemaakt dat heel efficiënt elektriciteit kan opslaan en leveren als een batterij; en wanneer de batterij vol is vanzelf water gaat splitsen in waterstof en zuurstof door elektrolyse. De battolyser blijkt bovendien stabiel, zowel als batterij en als elektrolyser, ook bij lang en intensief laden, ontladen en waterstofproductie. De battolyser verbindt daarmee als eerste op een natuurlijke wijze de infrastructuur voor elektriciteit-opslag en die voor waterstofgasproductie. We hebben zowel batterijopslag als brandstoffen nodig.’

Veiligheid

Al met al voorspelt Mulder een gestage vooruitgang op het gebied van energieopslag en batterijen, gedreven door een steeds grotere noodzaak om te gaan opslaan. Dat wordt bevestigd door dr. Erik Kelder van de groep Fundamental Aspects of Materials and Energy (FAME) van de TU Delft. ‘Ik zie in de toekomst veel meer een evolutie dan een revolutie in de batterijenwereld.’

Het batterij-onderzoek is volgens Kelder de afgelopen jaren sterk gegroeid en is ook strategisch steeds meer van belang. De grote driver bij batterijen zijn de mobiele toepassingen. Maar batterijen zijn en worden ook belangrijke hulpmiddelen voor andere toepassingen dan mobiele elektronica, bijvoorbeeld elektrische voertuigen en menselijke implantaten. Strategisch gezien heeft Europa maar een heel klein deel van de wereldproductie in handen. China, Zuid-Korea, Japan en de VS zijn duidelijk belangrijkere spelers.

‘Er zijn drie bepalende factoren bij de ontwikkeling van batterijen: veiligheid, kostprijs en energiedichtheid (hoeveel energie je kunt opslaan in een batterij). Alles op het gebied van batterijen begint eigenlijk met veiligheid. Eén incident en je bent weer zo’n beetje terug bij af’, zegt Kelder. ‘Los van de veiligheid richt men zich in de wetenschap vooral op het verhogen van de energiedichtheid, zodat je meer energie kunt opslaan in een batterij.’

De standaardtechniek is nu de lithium-ion batterij. Daar zit volgens Kelder technologisch nog zeker wel wat rek in. ‘Maar dan heb je het misschien maximaal over een factor 1,5 verbetering in energiedichtheid. Wil je een écht grote slag maken in energiedichtheid, dan moet er gewoon een alternatief komen voor de Li-ion batterij.’

Strategisch

En precies om die alternatieven te ontwikkelen, is eerder dit jaar het nieuwe batterijenlab van de TU Delft van start gegaan (in april officieel geopend in het RID). Daar werken onderzoekteams aan de volgende generatie batterijen.

Volgens Kelder liggen er momenteel wetenschappelijk gezien veel opties op de tafel. ‘Er zijn allerlei concepten in onderzoek. Zelf denk ik dat een Li-zwavel variant misschien een tussenoplossing kan zijn op weg naar een hele nieuwe generatie batterijen.’

Met een andere insteek, zoals het vervangen van lithium door natrium, win je volgens Kelder niet veel. ‘Dan kun je beter kijken naar het vervangen van lithium door bijvoorbeeld calcium of magnesium. En verder zijn er mogelijke varianten met onder meer zink, lucht en water.’

Het is volgens Kelder moeilijk te voorspellen wat de beste optie gaat worden. Belangrijk is te beseffen dat al de genoemde alternatieven waarschijnlijk nog ruim de tijd nodig hebben om rijp te worden voor echte toepassing en daarmee een realistische bedreiging te vormen voor de Li-ion batterijen. ‘Dat kan misschien nog wel decennia duren. Er is vooral nog veel fundamenteel materialenonderzoek nodig.’

Zichtbaar

De tijd was dus duidelijk rijp voor een nieuw batterijenlab. Het nieuwe lab mag uniek in Nederland worden genoemd. Het is groter geworden met meer mogelijkheden voor onderzoek. Bovendien zitten alle faciliteiten in de labs centraal bij elkaar op een plek en kan de combinatie gemaakt worden met de infrastructuur van het RID, inclusief de technieken ‘operando XRD’ en neutronendiepteprofilering, neutronendiffractie en vaste stof NMR. Met de technieken zijn bijvoorbeeld lithiumatomen zichtbaar te maken.

In het laboratorium worden verder diverse coating- en prepareertechnieken toegepast en wordt Scanning Electrochemical Microscopy gekoppeld aan Atomic Force Microscopy, waarmee op atomaire schaal in batterijen wordt gekeken. Hiermee is men in staat om de complexe processen in batterijen beter te begrijpen, zodat er uiteindelijk betere batterijen kunnen worden ontwikkeld.


/* */