Een oude batterijchemie, vergeten sinds de tijd van Edison, is dankzij nanotechnologie en biologische sjablonen opnieuw tot leven gebracht. Het resultaat: een batterij die in seconden oplaadt, duizenden keren kan worden hergebruikt en potentieel decennia meegaat.
Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van UCLA heeft een baanbrekende batterij ontwikkeld die in enkele seconden volledig kan opladen en meer dan 12.000 oplaadcycli kan doorstaan – dat komt neer op meer dan 30 jaar dagelijks gebruik. De batterij gebruikt een combinatie van nikkel en ijzer in nanoclusters van minder dan 5 nanometer, waardoor duizenden clusters in de breedte van een mensenhaar passen.
Door deze extreem kleine afmetingen neemt het oppervlak van de elektroden aanzienlijk toe, waardoor bijna ieder atoom actief kan deelnemen aan de chemische reactie. Het resultaat: een batterij die razendsnel kan opladen zonder dat de prestaties afnemen.
Bouwt voort op de ‘Edisonbatterij’
De technologie bouwt voort op ideeën die al in 1900 bestonden. Geloof het of niet: destijds waren elektrische voertuigen populairder dan benzineauto’s, maar ze hadden een beperkt bereik van 30 mijl (48 kilomter). Thomas Edison probeerde dit te verbeteren met nikkel-ijzerbatterijen, die 100 mijl (161 kilomter) bereik zouden moeten halen, maar uiteindelijk werden ze ingehaald door verbrandingsmotoren.
Het nieuwe prototype van UCLA lost de oude beperkingen op door gebruik te maken van 2D-graphene en eiwitten. De eiwitten, afkomstig uit rundvleesproductie, dienen als biologische sjablonen voor de groei van de metalen nanoclusters. Samen met graphene oxide – een materiaal van slechts één atoom dik – worden ze verhit en gebakken tot een aerogel, een materiaal dat voor 99% uit lucht bestaat.
Sneller dan lithium-ion
Het geheim van de snelheid zit in de enorme oppervlakten van de nanoclusters en de poreuze structuur van het graphene-aerogel. Door de korte afstanden die ionen moeten afleggen en het grote aantal bindingsplaatsen, kan de batterij in enkele seconden opladen en net zo snel ontladen.
Hoewel de energie-dichtheid nog niet kan tippen aan die van traditionele lithium-ionbatterijen, biedt het prototype een enorme voorsprong op het gebied van duurzaamheid en oplaadsnelheid. Voor toepassingen zoals het opslaan van overtollige zonne-energie of het dienen als noodstroomvoorziening in datacenters kan dit revolutionair zijn.
De onderzoekers zien dan ook vooral potentie in:
- Opslag van hernieuwbare energie: overtollige stroom van zonne- of windenergie kan snel worden opgeslagen en ’s nachts teruggeleverd aan het net.
- Back-upstroom voor kritieke infrastructuur: datacenters, ziekenhuizen en andere vitale systemen kunnen profiteren van een batterij die direct kan inspringen bij stroomuitval.
- Grid-stabilisatie: de snelle reactietijd kan helpen bij het opvangen van de grillige output van hernieuwbare energiebronnen.
De weg naar opschaling
De UCLA-onderzoekers experimenteren momenteel met andere metalen en natuurlijke polymeren als vervanging voor rundvleeseiwitten. Dit kan het productieproces goedkoper en duurzamer maken, wat nodig is voor grootschalige toepassingen.
Maher El-Kady, medeonderzoeker van het project zegt: “Deze technologie kan de levensduur van batterijen met tientallen jaren verlengen. Dat maakt het ideaal voor het opslaan van hernieuwbare energie of voor directe noodstroom, zonder dat de kosten voor infrastructuur fluctueren.”
Mogelijke gamechanger
Hoewel de nikkel-ijzerbatterij nog niet klaar is om lithium-ion volledig te vervangen, markeert dit prototype een belangrijke stap richting extreem duurzame en razendsnelle energieopslag. Als de technologie zich opschaalt, kan dit de manier waarop we elektriciteit opslaan en gebruiken drastisch veranderen – van onze huizen tot grote zonneparken en datacenters.
