Het belang van batterijen voor de energietransitie kan niet onderschat worden. Meer performante systemen voor de opslag van elektriciteit vormen een key enabling technology voor de verdere uitbouw van hernieuwbare energie en voor de verduurzaming van de economie. Ook bij VITO/EnergyVille wordt gewerkt aan de batterijtechnologieën van de toekomst, over de verschillende systeemgeneraties heen.
In 2017 startte VITO/EnergyVille – geheel op eigen kracht – haar onderzoek op naar materialen voor nieuwe batterijtechnologieën. Intussen is dat strategische onderzoekstraject onder stoom gekomen, met de publicatie van de eerste wetenschappelijke papers in 2020 en de aanvraag van de eerste patenten.
Het batterijonderzoek past naadloos in de geformuleerde ambitie van de Europese Unie in 2020 om tegen 2050 klimaatneutraal te worden, de zogenaamde Green Deal. ‘Energieopslag is cruciaal om de transitie naar hernieuwbare energie te maken en zero-emissiemobiliteit te kunnen realiseren’, zegt Annick Vanhulsel van VITO/EnergyVille.’ Europa zet met verschillende initiatieven volop haar schouders onder de ontwikkeling van nieuwe batterijtechnologieën. Dat is nodig, want de productie van de huidige batterijen (bijvoorbeeld voor elektrische auto’s) en ook de R&D van nieuwe technologieën gebeurt vandaag grotendeels in Azië. ‘Vanuit de Green Deal en de strategische onderzoeksagenda Battery2030+ wil de EU inzetten op een sterke Europese positie in alle stappen van de batterijwaardeketen, met onder meer een focus op meer duurzame batterijen. Dit sluit mooi aan bij wat we sinds 2017 bij VITO/EnergyVille doen.’
Over de batterijgeneraties heen
De sterkte van de batterij-expertise van VITO/EnergyVille situeert zich onder meer op het vlak van de oppervlakte-eigenschappen van materialen. ‘We werken zowel op de kathode als anode’, vervolgt Dirk Vangeneugden van VITO/EnergyVille. ‘Het is immers aan het grensvlak van de materialen dat het cruciale elektronen- en/of ionentransport plaatsvindt. Door deze oppervlakken en de interactie ervan met de elektrolyt (de vloeibare of vaste substantie die het transport van ionen mogelijk maakt) te optimaliseren, verbeteren we essentiële zaken zoals de energiedichtheid en de levensduur van batterijen.’ Het onderzoek is vrij fundamenteel, waardoor nieuwe ontwikkelingen op het vlak van materialen verschillende batterijtechnologieën kunnen verbeteren. ‘Zo maken we batterijen performanter over de verschillende generaties heen, van lithiumion- over vastestof- tot lithiumzwavel- en post-lithiumionbatterijen.’
De lithiumzwavelbatterij is een voorbeeld van zo’n next generation-batterijtechnologie die nog in de onderzoeksfase zit. Ze heeft veel potentieel: niet alleen zijn lithiumzwavelbatterijen slechts half zo zwaar als de beste lithiumionbatterijen (bij eenzelfde energieopslag), ze kunnen ook goedkoper worden geproduceerd dankzij de quasi onbeperkte en wereldwijd beschikbare zwavelreserves. Helaas is de levensduur van dit type batterij voorlopig nog te kort, waardoor de capaciteit al na een paar honderd ladings- en ontladingscycli sterk afneemt. Daaraan probeert VITO/EnergyVille iets te doen. Vanhulsel: ‘We zoeken onder meer naar een nieuwe samenstelling voor zowel de lithium- als de zwavelelektrode om op die manier de energiedichtheid en de levensduur te verbeteren.’ De batterij-onderzoekers werken hiervoor onder andere samen met de UHasselt, in de vorm van een doctoraatsproject dat nu zowat halfweg is. Daarnaast zijn er ook samenwerkingen met internationale partners zoals het Spaanse wetenschappelijke instituut CIDETEC, dat toonaangevend is in het onderzoek naar energieopslag.
Als de lithiumzwavelbatterij straks doorbreekt, zal die in de eerste plaats gebruikt worden in lichtgewichttoepassingen zoals elektrische vliegtuigen en (vooral) drones. ‘De actieradius en de draagkracht van drones wordt nu nog erg beperkt door de zware batterijen die ze moeten meesleuren’, vertelt Vangeneugden. ‘Sterk groeiende sectoren zoals die van de pakjesleveranciers zitten echt wel op lichte, performante batterijen te wachten. Maar we zien ook andere mobiele toepassingen waarbij de levensduur (in aantal laadcycli) niet van hoofdbelang is, zoals bijvoorbeeld elektrische fietsen.’
Niet alleen drones en fietsen zijn gebaat bij betere batterijen, de voorbeelden van sectoren waarin meer performante batterijen voor een flinke stroomversnelling kunnen zorgen, zijn legio. Denk maar aan de ontwikkeling van thuisbatterijen om de eigen stroomproductie van zonnepanelen in op te slaan. En natuurlijk aan elektrische wagens (en ander elektrisch aangedreven vervoer) met een groter rijbereik. Maar ook aan grote, stationaire batterijclusters voor de tijdelijke opslag van hernieuwbare energie en de stabilisatie van het elektriciteitsnetwerk. Vangeneugden: ‘Met het almaar stijgende aandeel van hernieuwbare bronnen wordt dus ook deze batterijtoepassing steeds belangrijker.’
Interclustertechnologie
Voor wie er nog aan mocht twijfelen: de rol van batterijen in de energietransitie kan niet worden onderschat. ‘Ze vormen een key enabling technology, de komende jaren en decennia zal er een enorme nood zijn aan batterijen’, voorspelt Vangeneugden. ‘Bovendien hebben de verschillende technologieën nog een gigantisch verbeterpotentieel.’ Daar staat dus logischerwijze een groot economisch en bijgevolg ook strategisch belang tegenover. ‘Mede daarom letten we er bij de ontwikkeling van nieuwe technologieën op dat we zo weinig mogelijk kritische materialen gebruiken die zeer zeldzaam zijn (zoals kobalt), en we bekijken of die materialen Europa op geopolitiek vlak erg afhankelijk zou maken van andere landen.’
Mede door dat strategische belang wordt er nu vanuit Europa stevig ingezet op nieuwe, duurzame en goedkope batterijtechnologieën. Dat gebeurt onder meer vanuit de recent opgerichte Batteries European Partnership Association waarvan ook VITO/EnergyVille lid is. ‘Zo schrijven we ons in het ruimere, Europese plaatje in’, aldus Vanhulsel. Maar daarnaast is er ook een Vlaams verhaal, met een gloednieuw batterijprogramma opgezet vanuit de Vlaamse speerpuntcluster rond innovatief materiaalonderzoek (SIM). Ook daarin is VITO/EnergyVille actief. ‘Het Vlaamse batterijonderzoek is een mooi voorbeeld van kruisbestuiving. In batterijen komen materialen, energie en chemie samen, waardoor ook de speerpuntclusters rond energietechnologie (Flux50) en duurzame chemie (Catalisti) nauw betrokken zijn. We spreken dus over een echte interclustertechnologie.’
Meer informatie
vito.be/en/vito-working-new-generation-batteries
www.energyville.be/en/research/storage
www.cidetec.es/en/home
www.bepassociation.eu
