Waar blijft toch de superaccu?

De groene revolutie

Voor het vervoer en de opslag van groene stroom zijn betere accu's onontbeerlijk. Maar de ontwikkeling ervan is 'vreselijk ingewikkeld'.

Een medewerker van de Universiteit Utrecht werkt aan accu¿s in de zogeheten handschoenenkast. Foto Raymond Rutting/de Volkskrant

I. De pionier aan het werk.

Het is vandaag de opening van het academisch jaar en Petra de Jongh is in haar nopjes. Vanwege de heugelijke dag voor de wetenschap, maar vooral ook omdat een gloednieuw apparaat is gearriveerd in haar Utrechtse lab, een zogenoemde parallel fixed bed reactor met zestien parallelle reactors. Een soort snelkookpan voor chemici.

Dit apparaat helpt de hoogleraar nanomaterialen aan de Universiteit Utrecht bij haar onderzoek naar het maken van synthetische brandstoffen uit kooldioxide en water. Kerosine, aardgas, benzine -het spul waar de wereld al een dikke eeuw op loopt, maar dan niet gebaseerd op fossiel, maar gefabriceerd met groene stroom en complexe chemische processen. Vandaar de nieuwe reactor.

Benzine, diesel en kerosine blijven nog wel even nodig, bijvoorbeeld om te kunnen vliegen. Met een Boeing op accu's de oceaan oversteken gaat niet, omdat accu's nu eenmaal te zwaar zijn. Om deze reden, maar ook omdat we graag langer willen werken met onze smartphones en verder willen rijden in onze e-auto, zoeken wetenschappers naarstig naar accu's die meer energie per kilogram kunnen bergen. Betere accu's zijn ook nodig omdat de wereld steeds meer zal draaien op zonne- en windenergie, en die moet ergens opgeslagen kunnen worden voor momenten dat het niet waait.

Niet helemaal toevallig werkt De Jongh ook aan betere accu's. Sterker, de hoogleraar stuitte enkele jaren geleden met onderzoekers van de Radboud Universiteit bijna per toeval op een materiaal dat de komst van een superaccu dichterbij brengt. De Jongh ontdekte een materiaal dat gebruikt kon worden als elektrolyt in vaste vorm. Elektrolyt is een onmisbaar onderdeel in elke accu. Het zorgt ervoor dat de lithium-ionen van de ene kant naar de andere kant kunnen reizen, terwijl het elektronen tegenhoudt. Kort gezegd zorgt elektrolyt ervoor dat je energie van de ene kant naar de andere kant van de accu kunt verschepen, zonder dat-ie gelijk weer leegloopt.

Elke dag tipt de hoofdredactie een bijzonder verhaal

De superaccu is de heilige graal van de groene revolutie, die wij in een serie in de krant onderzoeken. Bard van de Weijer laat vandaag helder zien hoeveel een betere accu kan betekenen, en dat er veelbelovende ontwikkelingen zijn, maar helaas ook hoe ontzettend moeilijk het is om het technisch te realiseren. (Philippe Remarque)

Foto .

Maar er is een probleem met het spul. Het is vloeibaar en als er iets mee misgaat, kan de accu ontploffen. Denk aan de smartphones van Samsung of aan problemen met het passagierstoestel Dreamliner, waarvan de accu's enkele jaren geleden spontaan in brand vlogen, waarop alle vliegtuigen van dit type maanden aan de grond moesten blijven.

Er kleeft nog een probleem aan vloeibaar elektrolyt: om betere accu's te maken, moeten andere materialen worden gebruikt die meer energie kunnen bergen. Maar deze blijken bijna allemaal te reageren met vloeibaar elektrolyt, waardoor accu's minder goed presteren of al na een paar keer opladen de geest geven. Dat De Jongh een vaste variant vond van elektrolyt dat bij kamertemperatuur tamelijk goed werkt, was dus goed nieuws.

De groene revolutie, maar hoe dan?

De overgang naar een duurzame economie in Nederland is nu echt ingezet. We volgen het vallen en opstaan van pioniers en andere aanjagers op de voet: volkskrant.nl/groenerevolutie.

II. Zet het zoden aan de dijk?

Betere accu's zijn onmisbaar voor de sprong naar een groenere economie. Niet alleen voor elektrische auto's, maar ook voor de opslag van zon- en windenergie. Tal van onderzoeksgroepen wereldwijd werken dan ook aan totaal nieuwe concepten voor het tijdelijk opslaan van elektriciteit. Wie nieuwsberichten en de wetenschappelijke literatuur over accu's volgt, krijgt zelfs de indruk dat de gedroomde superaccu op het punt van doorbreken staat. In de ene na de andere wetenschappelijke doorbraak wordt kond gedaan van superaccu's die elektrische auto's twee keer verder brengen. Steevast wordt dan ook gezegd dat het nog een jaar of twee zal duren voor de droomaccu er is.

Maar er is iets geks aan de hand. Neem de Utrechtse vinding. Hoewel de ontdekking al ruim twee jaar geleden werd gedaan, wordt De Jonghs elektrolyt in vaste vorm nog altijd niet massaal toegepast. Waarom niet? Dat komt, zegt de hoogleraar, doordat de ontwikkeling van accu's vreselijk ingewikkeld is. Als je één component verandert, moeten andere onderdelen mee veranderen, schetst ze in haar werkkamer. 'Je kunt wel een beter elektrolyt maken, maar dan blijken bij toepassing vervolgens allerlei bij-effecten op te treden, waardoor veel van de potentiële winst verloren gaat.'

Foto raymond rutting

Met beter elektrolyt alleen ben je er dus niet. Alles moet op de schop om tot een betere accu te komen.

De beste prestaties worden nu geleverd door lithium-ion accu's, die we kennen van mobieltjes en elektrische auto's. 'Het is niet toevallig dat we lithium gebruiken', zegt De Jongh. 'Dit is een van de lichtste elementen uit het periodiek systeem.'

Lichte elementen zijn het best bruikbaar, omdat je er veel energie per kilogram mee kunt opslaan. Lithium is licht. Vandaar de accu die de naam van dit element draagt. 'Misschien kan magnesium of aluminium ook nog, maar als je verder afdaalt in het periodiek systeem, wordt het al snel te zwaar', zegt De Jongh.

De gereedschapkist waarmee wetenschappers kunnen werken tijdens hun speurtocht naar een superaccu is dus beperkt. Sommige elementen zijn niet bruikbaar, bijvoorbeeld omdat ze giftig zijn, zoals beryllium. Andere zijn dus te zwaar of ze zijn inert, wat betekent dat ze niet of nauwelijks met andere stoffen reageren. Lithium zal de komende jaren daarom nog een belangrijke rol blijven spelen, verwacht De Jongh, die denkt dat de huidige generatie lithium-ionaccu's uiteindelijk twee keer meer energie kan opslaan.

Daarna is de rek eruit en moeten we echt overstappen op een nieuw type accu. Het veelbelovendst is de lithium-zwavelaccu. Zwavel heeft als groot voordeel dat meerdere lithiumionen aan een zwavelatoom gekoppeld kunnen worden. Dit betekent dat je veel meer lithium kunt opslaan dan met de huidige methode, waarbij zes koolstofatomen nodig zijn om een lithiumion 'vast te houden'. Resultaat: meer lithium per kilogram, dus meer energie.

Foto raymond rutting

III. Wanneer grootschalig invoeren?

Liefst zo snel mogelijk, natuurlijk. Maar zo makkelijk gaat het niet: zwavel bezorgt wetenschappers nieuwe hoofdbrekens. Bijvoorbeeld doordat het oplost in elektrolyt. Daardoor ontstaat een effect dat onderzoekers de zwavelshuttle noemen, waarbij het zwavel naar de andere kant van de accu naar de andere reist. Gevolg: de accu loopt leeg. 'De uitdaging is hoe deze zwavelshuttle te stoppen. Hier kijkt iedereen naar', zegt de hoogleraar. Hoewel accu's van dit type al mondjesmaat worden geproduceerd, zal het volgens De Jongh nog zeker vijf tot tien jaar duren voor deze technologie op grote schaal wordt toegepast.

Onderzoekers kijken intussen al weer verder: aan de wetenschappelijke horizon gloort wat zich het best laat omschrijven als de ultieme accu. Deze heeft een energiedichtheid die misschien wel tien keer hoger zal zijn dan de huidige lithium-ionaccu's. Wat dit betekent, laat zich raden: de actieradius van de elektrische auto zou bij gelijkblijvend gewicht ineens 3.000 kilometer bedragen, in plaats van 300.

Kom maar op met die superaccu.

In deze ultieme accu zit aan de ene kant lithiummetaal dat reageert met de lucht. 'In feite verbrand je het lithium', zegt ze. Bijna zoals je benzine verbrandt in een automotor. 'Alleen moet dit proces omkeerbaar zijn, zodat je de accu ook weer kunt opladen.'

Tekst gaat verder onder afbeelding.

Foto de Volkskrant

Dit is een lastig proces, omdat bij de 'verbranding' van lithium allerlei bijproducten ontstaan die het proces verstoren. Het gevolg: de accu kan maar een paar keer worden opgeladen voor hij vervangen moet worden. Niet ideaal in je nieuwe elektrische auto.

Wie het veld overziet, weet dat persberichten met aankondigingen van wetenschappelijke 'doorbraken' het best met een korreltje zout genomen kunnen worden. Accu-onderzoek is zeer complex en het is zelfs maar de vraag of het ooit lukt de gedroomde accu te maken, zegt De Jongh.

'Aan de andere kant: vijftien jaar geleden dachten we: die elektrische auto gaat misschien nog wel lukken, maar vrachtwagens op accu's zullen er nooit komen. En energie van windparken opslaan in accu's is veel te duur.' En kijk nu eens: binnenkort presenteert Tesla zijn eerste accutruck en werkt de Deense energieproducent Dong aan een accupark voor de opslag van windenergie van meer dan honderd megawattuur.

Zeg nooit nooit, wil Petra de Jongh maar zeggen. Zeker als het om accu's gaat. 'Dat maakt dit onderzoek zo interessant.'

Wat gebeurt er in een accu?

In een accu bewegen lithiumionen van de negatieve elektrode naar de positieve. Daartussen zit een vloeistof, het elektrolyt, dat de elektronen tegenhoudt en de lithium-ionen zo vrij mogelijk laat stromen. Bij gebruik van een accu verbrand je in feite het lithium, zoals je benzine verbrandt in een brandstofmotor, zegt De Jongh. 'Tijdens gebruik van de accu laat je het lithium oxideren, om het bij het opladen weer te reduceren.'

Bij dit laatste proces wordt lithium 'gevangen' in de koolstofatomen van de negatieve elektrode. Maar, zegt de hoogleraar, om lithium op te slaan, heb je minstens zes koolstofatomen nodig per lithiumatoom. En om ze naar de andere kant te laten stromen als er energie aan de accu onttrokken wordt, is een metaaloxide nodig. Deze is ook nog eens twintig tot dertig keer zwaarder dan de paar lithiumionen die je erin stopt. Door de verpakking, de stroomdraden en de elektronica om de accu goed te laden, neemt het gewicht van een accu dus flink toe. 'Al deze ballast vormt tien tot honderd keer het gewicht van de eigenlijke brandstof.'

De hoeveelheid energie per liter kerosine of diesel zal een accu nooit bereiken, zegt De Jongh. Uitgesloten. Maar een accu heeft wel een ander groot voordeel: zijn efficiency is groot. Dat is bij veel andere energiedragers wel anders. Maak je van elektriciteit waterstof, dan gaat daarbij ongeveer 40procent van de energie verloren en als het waterstof vervolgens weer naar elektriciteit wordt omgevormd in een brandstofcel, verdwijnt nog een keer eenvijfde. Accu's presteren veel beter: wat je er aan energie instopt, komt er zo goed als volledig weer uit.