Beetje zilver maakt lichte lithiumaccu zonder aparte minpool een stuk stabieler
Onderzoekers in Hongkong voegen een zilverhoudende stof toe aan een accu zonder aparte minpool. Een testcel van 2 ampère-uur haalde 467 wattuur per kilo, een kleinere cel hield na 200 laadbeurten 90 procent van zijn capaciteit.
Hoe meer energie er in een kilo accu past, hoe verder een elektrische auto, drone of robot komt op één lading. Een veelbelovende manier om accu's lichter te maken is de minpool weg te laten. Onderzoekers van de Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) hebben nu een manier gevonden om zo'n accu veel stabieler te laten werken: met een beetje zilver in de vloeistof van de accu. Hun studie verscheen in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications.
Een accu zonder minpool
In een gewone lithiumaccu zitten twee polen. Bij het opladen verhuizen lithiumdeeltjes van de pluspool naar de minpool, bij het gebruik gaan ze weer terug. De minpool is meestal een laag grafiet of lithiummetaal. Die laag weegt mee, maar levert zelf geen extra energie.
Bij een zogeheten anode-vrije accu (anode is het vakwoord voor de minpool) laten onderzoekers die laag weg. Er zit alleen een dun velletje koper dat de stroom afvoert. Bij het eerste opladen zet het lithium zich vanzelf op dat koper af en vormt zo de minpool. Dat scheelt gewicht en maakt de accu eenvoudiger te bouwen.
Het probleem: lithium hecht slecht aan koper. Het zet zich daardoor ongelijk af, in bultjes en dunne naaldjes. Die naaldjes kunnen de accu beschadigen en zelfs kortsluiting geven. Ook het dunne beschermlaagje dat zich vanzelf op het lithium vormt, is bij deze accu's niet stevig. Bij elke laadbeurt gaat er zo een beetje lithium verloren en loopt de accu snel achteruit.
Wat het zilver doet
Het team onder leiding van hoogleraar Shao Minhua voegt een stof met zilver toe aan de vloeistof waar de lithiumdeeltjes doorheen reizen. Na het in elkaar zetten van de accu doet die stof uit zichzelf drie dingen:
- Het zilver zet zich op het koper. Daardoor hecht lithium er wel goed aan en legt het zich als een gladde, gelijkmatige laag neer, zonder naaldjes.
- Het andere deel van de stof helpt een steviger beschermlaagje te vormen.
- Datzelfde deel laat een deel van de vloeistof opstijven tot een soort gel. Die houdt de polen en de vloeistof goed met elkaar in contact.
Volgens Shao zit de kracht in de combinatie: het gaat niet om los zilver of een losse toevoeging, maar om één stof die na het bouwen van de accu stap voor stap meerdere taken uitvoert. Eerdere pogingen met een zilverlaagje op het koper hadden extra druk op de accu nodig of zoveel zilver dat het duur werd. Deze aanpak gebeurt in de accu zelf en is daardoor eenvoudiger te maken.
De resultaten
Een kleine testcel, een knoopcel, hield na 200 keer laden en ontladen nog 90 procent van zijn capaciteit over. Een grotere, platte cel van 2 ampère-uur, het soort cel dat ook in echte accupakketten zit, haalde 467 wattuur per kilogram, gerekend over het gewicht van de hele cel. Met één kilo van zulke cellen kun je een waterkoker van 2.000 watt zo'n 14 minuten laten werken.
De Chinese accumaker Svolt bouwt nu in serie auto-accu's met deels vaste elektrolyt die volgens het bedrijf 300 wattuur per kilogram halen. Ook in de Hongkongse cel is een deel van de vloeistof stevig geworden, maar de onderzoekers gaan een stap verder door ook de minpool weg te laten. Daarmee komen ze in het lab op ruim anderhalf keer zoveel energie per kilo.
Het onderzoek is nu in het lab gedaan. De 200 laadbeurten zijn gemeten bij langzaam laden, in ongeveer tien uur. De volgende stap is laten zien dat de accu ook bij sneller laden en over veel meer laadbeurten goed blijft werken, en dat hij in grote aantallen te maken is.
Wat betekent dit voor de weg naar de singulariteit?
Meer energie per kilo is precies wat machines nodig hebben die zelfstandig rondrijden, vliegen of lopen. Een accu zonder minpool haalt het gewicht weg dat niets bijdraagt, en een deels stevige vloeistof maakt hem robuuster. Dat de Hongkongse onderzoekers met één slimme toevoeging zowel de naaldjes als het zwakke beschermlaagje aanpakken, maakt de weg naar zulke accu's een stuk korter. Lukt de stap van het lab naar de fabriek, dan komen lichtere accu's voor auto's, drones en robots binnen bereik.
