Opladen voor de toekomst

Prof.dr. Peter Notten – Energy Materials and Devices

Je zou hem gekscherend de ‘batterijprof’ kunnen noemen. Peter Notten, hoogleraar Energy Materials and Devices, richt zich met zijn groep als enige binnen de universiteit volledig op de ontwikkeling van batterijen, of het nu gaat om de forse accu in een elektrische auto of piepkleine stukjes energieopslag in computerchips. Bij hem kun je terecht voor alle vragen over batterijen, bijvoorbeeld waarom de batterij van je laptop na een jaar twee keer zo snel leeg raakt.

Iedereen met een moderne smartphone kent het probleem: bij een beetje actief gebruik moet de batterij bijna dagelijks worden opgeladen, zo snel gaat het ding leeg. En het lijkt met elke betere smartphone erger te worden. Hoe komt dat? “De ontwikkeling van de batterij blijft ver achter op de rest van de telefoon”, zegt Peter Notten. “Waar de computerkracht van mobiele telefoons elke twee jaar zo’n beetje verdubbelt, zijn batterijen in de afgelopen honderd jaar een factor vijf beter geworden. Een factor vijf!”

Als geen ander weet Notten hoe stroef de ontwikkeling in batterijtechnologie gaat. Als hoogleraar Energy Materials and Devices binnen de faculteiten Electrical Engineering en Scheikundige Technologie richt hij zich op begrip, ontwikkeling en modellering van een breed scala aan typen batterijen. “De energiedichtheid, de hoeveelheid energie per volume, van batterijen in brede zin neemt elk jaar met slechts zo’n vijf procent toe. Dat zijn maar hele kleine stapjes”, aldus Notten.

En voor wat betreft de batterijen in smartphones, zogeheten lithium-ion batterijen, ziet Notten het ook somber in. “Er is bijzonder weinig ruimte voor verdere verbetering omdat de natuurlijke grens met deze batterijen wel zo’n beetje bereikt is. Je zou nog een grote stap kunnen maken met wat men ‘lithium-lucht’ noemt, vergelijkbaar met de zink-luchtknopjes uit gehoorapparaten. Daar werkt men nu aan, maar het duurt nog wel lang voordat dit systeem uitontwikkeld is en kan worden toegepast in consumentenelektronica en elektrische auto’s.”

Jongensachtig

Notten toont een voor zijn leeftijd (62) jongensachtig enthousiasme om te vertellen over de achtergrond van zijn onderzoek. Waren het voorheen conventionele batterijen voor draagbare apparaten, zoals cd-spelers, laptops of scheerapparaten, die alle aandacht hadden, tegenwoordig kun je volgens Notten het batterijonderzoek opsplitsen in afzonderlijke gebieden, afhankelijk van de grootte van de toepassing.

Aan de ene kant van het spectrum heb je het onderzoek naar hele kleine batterijsystemen, te gebruiken in bijvoorbeeld autonome sensoren en medische implantaten die uiteindelijk geïntegreerd zullen kunnen worden in computerchips. Aan de andere kant heb je de hele grote systemen, zoals de ‘batterypacks’ in elektrische auto’s, of nog groter, de opslag van duurzame energie via bijvoorbeeld smart grids. “Een Tesla-auto heeft bijvoorbeeld 85 kilowattuur aan batterijen aan boord, dat is gigantisch veel. En dat bepaalt bij elkaar 30 tot 50 procent van de totaalprijs van een elektrische auto”, zegt Notten. Om het belang van batterijen maar aan te geven.

Uiteindelijk draait het bij batterijonderzoek altijd om de ultieme trade-off tussen een hogere energiedichtheid, vermogen en levensduur. “Bij een auto zou het bijvoorbeeld onacceptabel zijn als na een jaar de capaciteit al sterk afneemt. Dat kun je oplossen, maar dat gaat vaak ten koste van de energiedichtheid. Bij gebruik van lithium moet je bijvoorbeeld oppassen dat de energiedichtheid niet te hoog wordt. Je gaat steeds meer richting dynamiet, zeg ik wel eens, om ook te realiseren dat hier het veiligheidsrisico snel hoger wordt. Dat ging bijvoorbeeld mis in de Dreamliner een aantal jaar geleden.”

Waterstofopslag

Voordat Notten in 2000 hoogleraar werd aan TU/e werkte hij lange tijd bij het Philips Natuurkundig Laboratorium, waar hij veel onderzoek naar waterstofopslag deed. Nog steeds is dit voor Notten een belangrijk onderzoeksthema, en begrijpelijk als je weet dat Eindhoven in de ontwikkeling hiervan een voorname rol heeft gespeeld. Waterstofopslag is van belang voor bijvoorbeeld brandstofcellen, waarin de reactie van waterstof en zuurstof energie oplevert. Omdat waterstof reageert met lucht heb je iets nodig om het tijdelijk veilig te kunnen opslaan.

Philips ontdekte in de jaren 60-70 dat bepaalde vaste stoffen reageren met waterstof en dit absorberen. Op deze manier kun je waterstof in een materiaal tijdelijk opslaan en onder normale druk vervoeren in bijvoorbeeld auto’s. Hyundai heeft afgelopen jaar een model op de markt geïntroduceerd dat met een dergelijk brandstofcelsysteem rondrijdt. Dit jaar zal Toyota ook een brandstofcel aangedreven personenauto lanceren.

Een tweede vinding van Philips was dat als je een elektrode maakt van deze vaste stof, je deze elektrode ook kunt gebruiken in een batterij om elektrochemisch waterstof te maken en op te slaan . “De cadmiumelektrode van de nikkel-cadmiumbatterij werd zo vervangen door deze waterstofelektrode en de uitvinding van de nikkelmetaalhydridebatterij was een feit. Deze zit nu standaard in vrijwel alle hybride auto’s”, zegt Notten met gepaste trots.

Dunne films

Een ander belangrijk thema zit juist in de hoek van het hele kleine: dunne film batterijen. Het gaat hier om variaties van lithium-ion batterijen, bekend dus van smartphones en laptopaccu’s. In dit type batterij bewegen lithium-ionen tezamen met de elektronen van de ene naar de andere elektrode. Als negatieve elektrode wordt tegenwoordig vaak grafiet gebruikt, de stof die ook in de punt van je potlood zit.

Grafiet heeft een gelaagde structuur, dus de lithiumionen kunnen hier gemakkelijk tussen gaan zitten. Hoe meer ionen je kunt opslaan, des te meer energie de batterij kan afgeven. Notten onderzoekt of je grafiet kunt vervangen door silicium, want in theorie biedt dit materiaal ruimte voor 25 keer zoveel lithium. De eerste keer dat Notten lithium in een kristal silicium stopte was echter geen succes. “Het volume van het silicium groeit met zo’n 300-400 procent door het opnemen van lithium, maar toen het daarna weer kromp bij het afgeven ging het helemaal kapot.”

Notten: “Toen zijn we naar nanodraden gaan kijken, maar die bleken ook niet stabiel. We redeneerden dat de draden beter ondersteund zouden kunnen worden in een honingraatstructuur. Dit bleek wonderwel te werken.” Notten heeft met deze vondst dunne films van lithium-silicium richting applicaties getrokken, zoals bijvoorbeeld voor autonome systemen. Maar ook voor sensoren of biomedische toepassingen ziet Notten hier kansen. 

Oudering

Naast het ontwerpen van nieuwe prototypes is de groep ook bezig met het modelleren van de processen in een batterij. “Zie het als een soort transparante batterij, zodat we er virtueel in kunnen kijken tijdens het laden en ontladen”, legt Notten uit. Daarmee kan hij bijvoorbeeld zien hoe de spanning van de batterij verandert tijdens het ontladen bij hoge of lage stroom en wanneer dit veiligheidsrisico’s geeft.

Een andere toepassing is de ‘oudering’, het verschijnsel dat de capaciteit van een batterij vermindert na vele malen op- en ontladen, een bekend probleem bij laptopaccu’s. “We kunnen proberen te begrijpen hoe dat komt, maar we kunnen het ook omdraaien en op zoek gaan naar omstandigheden dat oudering niet of minder optreedt”, zegt Notten. “Iedereen wil bijvoorbeeld liefst snel, dus met hoge stroom, opladen, maar wij hebben laten zien dat je beter even kort met hoge stromen kunt opladen en dan over moet gaan op lagere stromen. Dan is de oudering veel minder.”

Dit jaar heeft Notten ook een onderzoekssamenwerking opgezet met het Duitse Forschungszentrum Jülich, één van de grootste interdisciplinaire onderzoekscentra in Europa. Onze buren zetten volgens Notten sterk in op batterijonderzoek. “In Duitsland zijn ze doordrongen van het grote belang van batterijen, vanwege bijvoorbeeld hun immense auto-industrie en smart grids waar zij verstandig met elektriciteitsopslag zullen moeten omgaan in de toekomst.”

Korte bio

1952: Geboren in Eindhoven
1976: Afgestudeerd in analytische chemie aan IHBO Eindhoven
1975 – 2010: Philips Research, eerst als wetenschappelijk assistent, later als wetenschappelijk (hoofd)medewerker
1989: Gepromoveerd aan TU Eindhoven op het gebied van de elektrochemie van het etsen van bepaalde halfgeleidermaterialen
2000 – 2010: Deeltijdhoogleraar aan TU Eindhoven
2010 – heden: Voltijdhoogleraar aan TU Eindhoven
2015 – heden: Wetenschappelijk adviseur Forschungszentrum Jülich, Duitsland
2015 – heden: Gasthoogleraarschap Amrita University, India

 

 

Terug naar het overzicht