Siliciumbatterijen kunnen elektrische auto’s een grotere actieradius bezorgen, maar slijten doorgaans te snel. Duitse onderzoekers hebben nu een belangrijke stap gezet: hun batterij behoudt na meer dan 1.000 volledige laadcycli ruim 83 procent van zijn oorspronkelijke capaciteit. Toch zit er een opmerkelijke adder onder het gras.
Onderzoekers van het Duitse Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (ISE) presenteerden op 20 oktober de resultaten van het onderzoeksproject StrOboBatt. Daarin ontwikkelden ze lithium-ionbatterijen met siliciumrijke anodes die niet alleen veel energie opslaan, maar ook langdurig blijven functioneren.
De experimentele batterijcellen bereikten een energiedichtheid van 280 wattuur per kilogram (Wh/kg). Volgens de onderzoekers kan dat bij een industrieel geoptimaliseerd ontwerp oplopen tot ongeveer 330 Wh/kg.
Waarom silicium de batterijwereld kan veranderen
De meeste lithium-ionbatterijen gebruiken grafiet als anodemateriaal. Silicium heeft echter een theoretische opslagcapaciteit die ongeveer tien keer zo groot is. Dat klinkt ideaal voor elektrische auto’s: meer energie in dezelfde batterijmassa betekent in principe een grotere actieradius, zonder dat het accupakket zwaarder hoeft te worden.
Maar silicium heeft een hardnekkig probleem. Tijdens het opladen neemt het lithium op, waardoor het materiaal sterk uitzet. Bij ontladen krimpt het weer. Die voortdurende volumeveranderingen kunnen de elektrodestructuur beschadigen en leiden tot capaciteitsverlies.
Meer dan 1.000 laadcycli doorstaan
De onderzoekers bouwden batterijcellen met een capaciteit van 25 ampère-uur (Ah), bestaande uit veertig lagen. De anode bevatte een combinatie van silicium-koolstofcomposiet en grafiet. Het silicium-koolstofcomposiet vertegenwoordigde 51 procent van het actieve anodemateriaal.
Na meer dan 1.000 volledige laad- en ontlaadcycli bleef ruim 83 procent van de oorspronkelijke capaciteit behouden. Daarmee passeert de batterij een belangrijke prestatiedrempel voor praktische toepassingen.
De sleutel? Druk op de batterij
Opmerkelijk genoeg bleek niet alleen de chemische samenstelling bepalend voor de levensduur. Ook de mechanische druk op de batterij speelde een doorslaggevende rol. Bij een druk van 1.000 kilopascal bleef de capaciteit aanzienlijk beter behouden dan bij 300 kilopascal. Die druk helpt het contact tussen elektrodematerialen intact te houden.
Dat heeft belangrijke gevolgen voor autofabrikanten. Een siliciumrijke batterij vraagt mogelijk niet alleen om aangepaste elektrodes, maar ook om een accupakket dat de juiste mechanische druk kan handhaven. Bovendien bleek de beschikbare capaciteit bij sneller ontladen sterker terug te lopen dan metingen bij lage ontlaadsnelheid suggereerden.
Moet zich nog bewijzen
De resultaten zijn veelbelovend, maar betekenen niet dat elektrische auto’s binnenkort automatisch honderden kilometers verder rijden.
De gemeten 280 Wh/kg geldt voor een onderzoeksbatterij, terwijl 330 Wh/kg voorlopig een verwachting is. Daarnaast moeten fabrikanten nog aantonen dat de technologie bij uiteenlopende temperaturen, snellaadsessies en wisselende belasting betrouwbaar blijft.
Het belangrijkste inzicht is misschien wel dat de toekomst van siliciumbatterijen niet alleen afhangt van betere batterijchemie, maar ook van slimmer mechanisch ontwerp. Juist die combinatie kan de technologie dichter bij grootschalige toepassing brengen.
