Wanneer auto’s, vliegtuigen, schepen of computers worden gebouwd van een materiaal dat zowel als batterij als dragende structuur fungeert, worden het gewicht en het energieverbruik radicaal verminderd. Een onderzoeksgroep aan de Chalmers University of Technology in Zweden presenteert nu een toonaangevende vooruitgang in zogenaamde massaloze energieopslag: een structurele batterij die het gewicht van een laptop kan halveren, de mobiele telefoon zo dun kan maken als een creditcard of het rijbereik van een elektrische auto met wel 70 procent kan vergroten op één enkele lading.

“We zijn erin geslaagd een batterij te maken van koolstofvezelcomposiet die zo stijf is als aluminium en energiedicht genoeg om commercieel te worden gebruikt. Net als een menselijk skelet heeft de batterij meerdere functies tegelijk”, zegt Chalmers-onderzoeker Richa Chaudhary, die de eerste auteur is van een wetenschappelijk artikel dat onlangs is gepubliceerd in Advanced Materials.

Onderzoek naar structurele batterijen wordt al vele jaren gedaan bij Chalmers, en in sommige fasen ook samen met onderzoekers van het KTH Royal Institute of Technology in Stockholm, Zweden. Toen professor Leif Asp en collega’s in 2018 hun eerste resultaten publiceerden over hoe stijve, sterke koolstofvezels elektrische energie chemisch konden opslaan, trok de vooruitgang enorm veel aandacht. Het nieuws dat koolstofvezels kunnen functioneren als elektroden in lithium-ionbatterijen werd wijdverspreid en de prestatie werd door het prestigieuze Physics World gerangschikt als een van de tien grootste doorbraken van het jaar.

Lager gewicht vereist minder energie

Sindsdien heeft de onderzoeksgroep haar concept verder ontwikkeld om zowel de stijfheid als de energiedichtheid te vergroten. De vorige mijlpaal werd bereikt in 2021 toen de batterij een energiedichtheid had van 24 wattuur per kilogram (Wh/kg), wat neerkomt op ongeveer 20 procent capaciteit van een vergelijkbare lithium-ionbatterij. Nu is dat 30 Wh/kg. Hoewel dit nog steeds lager is dan de huidige batterijen, zijn de omstandigheden behoorlijk anders. Wanneer de batterij deel uitmaakt van de constructie en ook van een lichtgewicht materiaal kan worden gemaakt, wordt het totale gewicht van het voertuig aanzienlijk verminderd. Dan is er bijvoorbeeld lang niet zoveel energie nodig om een ​​elektrische auto te laten rijden.

“Investeren in lichte en energiezuinige voertuigen is vanzelfsprekend als we energie willen besparen en aan toekomstige generaties willen denken. We hebben berekeningen gemaakt met elektrische auto’s die aantonen dat ze tot 70 procent langer kunnen rijden dan nu als ze concurrerende structurele batterijen hebben”, zegt onderzoeksleider Leif Asp, hoogleraar aan de afdeling Industriële en Materiaalwetenschappen van Chalmers.

Als het om voertuigen gaat, worden er natuurlijk hoge eisen gesteld aan het ontwerp om voldoende sterk te zijn om aan de veiligheidseisen te voldoen. Daar heeft de structurele batterijcel van het onderzoeksteam zijn stijfheid, of specifieker, de elasticiteitsmodulus, die wordt gemeten in gigapascal (GPa), aanzienlijk verhoogd van 25 naar 70. Dit betekent dat het materiaal net zo goed lasten kan dragen als aluminium, maar met een lager gewicht.

“Wat betreft multifunctionele eigenschappen is de nieuwe batterij twee keer zo goed als zijn voorganger – en eigenlijk de beste ooit gemaakt ter wereld”, zegt Leif Asp, die sinds 2007 onderzoek doet naar structurele batterijen.

Meerdere stappen richting commercialisering

Vanaf het begin was het doel om een ​​prestatie te bereiken die het mogelijk maakt om de technologie te commercialiseren. Parallel aan het feit dat het onderzoek nu doorgaat, is de link naar de markt versterkt – via het nieuw opgerichte Chalmers Venture-bedrijf Sinonus AB, gevestigd in Borås, Zweden.

Er moet echter nog veel engineeringwerk worden gedaan voordat de batterijcellen de stap hebben gemaakt van laboratoriumproductie op kleine schaal naar productie op grote schaal voor onze technologische gadgets of voertuigen.

“Je kunt je voorstellen dat creditcarddunne mobiele telefoons of laptops die de helft wegen van wat ze nu zijn, in de toekomst het dichtstbij komen. Het zou ook kunnen dat componenten zoals elektronica in auto’s of vliegtuigen worden gevoed door structurele batterijen. Het zal grote investeringen vergen om te voldoen aan de uitdagende energiebehoeften van de transportindustrie, maar dit is ook waar de technologie het meeste verschil kan maken”, zegt Leif Asp, die veel interesse heeft opgemerkt vanuit de automobiel- en luchtvaartindustrie.

Meer over: Onderzoek en structurele batterijen

Structurele batterijen zijn materialen die naast het opslaan van energie ook lasten kunnen dragen. Op deze manier kan het batterijmateriaal onderdeel worden van het eigenlijke constructiemateriaal van een product, wat betekent dat er veel minder gewicht kan worden bereikt op bijvoorbeeld elektrische auto’s, drones, handgereedschappen, laptops en mobiele telefoons.

De nieuwste ontwikkelingen op dit gebied zijn gepubliceerd in het artikel Unveiling the Multifunctional Carbon Fibre Structural Battery in het tijdschrift Advanced Materials. De auteurs zijn Richa Chaudhary, Johanna Xu, Zhenyuan Xia en Leif Asp van Chalmers University of Technology.

Het ontwikkelde batterijconcept is gebaseerd op een composietmateriaal en heeft koolstofvezel als zowel de positieve als negatieve elektroden – waarbij de positieve elektrode is bedekt met lithiumijzerfosfaat. Toen het vorige batterijconcept werd gepresenteerd, was de kern van de positieve elektrode gemaakt van een aluminiumfolie.

De koolstofvezel die in het elektrodemateriaal wordt gebruikt, is multifunctioneel. In de anode fungeert het als een versterking, evenals een elektrische collector en actief materiaal. In de kathode fungeert het als versterking, stroomcollector en als steiger voor het lithium om op te bouwen. Omdat de koolstofvezel de elektronenstroom geleidt, is de behoefte aan stroomcollectoren van bijvoorbeeld koper of aluminium verminderd, wat het totale gewicht nog verder verlaagt. Ook zijn er geen zogenaamde conflictmetalen zoals kobalt of mangaan vereist in het gekozen elektrodeontwerp.

In de batterij worden de lithiumionen tussen de batterijpolen getransporteerd via een halfvaste elektrolyt, in plaats van een vloeibare, wat een uitdaging is als het gaat om het verkrijgen van een hoog vermogen en hiervoor is meer onderzoek nodig. Tegelijkertijd draagt ​​het ontwerp bij aan een verhoogde veiligheid in de batterijcel, door een verminderd risico op brand.

Het onderzoek is gefinancierd door het Wallenberg Initiative Materials Science for Sustainability (WISE)-programma.