Sleutel voor superbus op nanoniveau

De Toyota Prius, gewicht 1325 kilo schoon aan de haak, heeft een maximum snelheid op de batterij van zo’n zeventig kilometer per uur. Die bereikt hij op 28 nikkel-metaalhydride (NiMH) batterijen, met een totaalgewicht van dertig kilo. De superbus is vele malen zwaarder en moet bijna vier keer zo hard gaan rijden. Dat haal je niet met doorsnee NiMH batterijen. Die leveren niet genoeg vermogen.

Gelukkig is er hoop. MIT presenteerde vorig jaar een nieuwe lithium-ion batterij, die veilig genoeg is voor gebruik in voertuigen. Lithium is, net als elektronen, uiterst geschikt als beweeglijke ladingdrager, maar het is ook behoorlijk reactief spul . zie de filmpjes op internet van zelfontbrandende laptopbatterijen. Zoiets moet je bij 250 kilometer per uur niet overkomen.

“Het nieuwe aan de vondst van MIT is de combinatie van drie technieken die in de wetenschap al bekend waren”, zegt dr. Erik Kelder, die bij Technische Natuurwetenschappen onderzoek doet aan batterijen.

Het gaat erom de combinatie van de drie technieken te optimaliseren. Het was bijvoorbeeld al langer bekend dat het vervangen van kobaltlaagjes in traditionele lithium-ion batterijen door mangaan en nikkel meer opslagcapaciteit gaf. Alleen ging de laadtijd erdoor omhoog. Door een andere, regelmatigere kristalstructuur te kiezen en zo de beweeglijkheid van de lithium-ionen te verhogen, slaagden de onderzoekers van MIT erin de laadtijd met een factor tien te versnellen.

Kelder: “Ze zijn nu zo ver dat deze batterijen commercieel aantrekkelijk zijn. Ze hebben de technologie verkocht aan Black & Dekker, die er onder meer krachtige boormachines mee uitrust. Overigens zijn er ook in Europa bedrijven die dit type batterijen maken. De Amerikanen zijn misschien iets verder met de technologie, maar vooral veel beter in pr.”

De Europese Unie heeft al langere tijd een groot onderzoeksprogramma lopen naar accusystemen voor auto’s, Liberal. Ook de TU Delft participeert hierin. Kelder: “De bottleneck voor de superbus zit niet in de levering van hoge vermogens, maar in de rijtijd. Op dat vlak zijn nog verbeteringen nodig. Daar werken wij aan in het EU network of excellence Alistore.” Dat netwerk heeft tot doel in tien jaar tijd de opslagcapaciteit per kilo batterij te verdubbelen.

Een belangrijke onderzoeksrichting bevindt zich op het atomaire niveau. Om het uiterst reactieve lithium in toom te houden, wordt het per atoom omringd door zes koolstofatomen. Er valt significant op het gewicht en volume van de accu te besparen door de koolstof te vervangen door silicium, waarvan maar 4,4 atomen per lithiumatoom nodig zijn.

Alleen zorgt lithium voor nogal wat spanning in het atoomrooster van silicium, met scheuren als resultaat. “Wat is het gevolg van die scheuren?”, vraagt Kelder zich retorisch af. “Dat onderzoeken we momenteel, onder andere in een project samen met Shell.”

In het ontwerp van de superbus is een groot batterypack onder de vloer voorzien. Dankzij het aerodynamische ontwerp zou de bus 250 kilometer per uur moeten halen met dezelfde energie die een gewone bus nodig heeft voor 120 kilometer per uur. Maar de echte vraag is dus: hoe lang houdt de superbus dat vol?

Prof.dr. Wubbo Ockels, initiator van de superbus, is optimistisch: “Batterijtechnologie verandert razendsnel. We gaan nu aan de slag met lithium-polymeer batterijen, maar dat kan nog veranderen. In elk geval is de energiedichtheid nu al voldoende voor onze wensen ten aanzien van de rijtijd. Na tweehonderd kilometer maken we een pitstop, waarbij het batterypack snel wordt uitgewisseld met een vol pack.”

De Toyota Prius, gewicht 1325 kilo schoon aan de haak, heeft een maximum snelheid op de batterij van zo’n zeventig kilometer per uur. Die bereikt hij op 28 nikkel-metaalhydride (NiMH) batterijen, met een totaalgewicht van dertig kilo. De superbus is vele malen zwaarder en moet bijna vier keer zo hard gaan rijden. Dat haal je niet met doorsnee NiMH batterijen. Die leveren niet genoeg vermogen.

Gelukkig is er hoop. MIT presenteerde vorig jaar een nieuwe lithium-ion batterij, die veilig genoeg is voor gebruik in voertuigen. Lithium is, net als elektronen, uiterst geschikt als beweeglijke ladingdrager, maar het is ook behoorlijk reactief spul . zie de filmpjes op internet van zelfontbrandende laptopbatterijen. Zoiets moet je bij 250 kilometer per uur niet overkomen.

“Het nieuwe aan de vondst van MIT is de combinatie van drie technieken die in de wetenschap al bekend waren”, zegt dr. Erik Kelder, die bij Technische Natuurwetenschappen onderzoek doet aan batterijen.

Het gaat erom de combinatie van de drie technieken te optimaliseren. Het was bijvoorbeeld al langer bekend dat het vervangen van kobaltlaagjes in traditionele lithium-ion batterijen door mangaan en nikkel meer opslagcapaciteit gaf. Alleen ging de laadtijd erdoor omhoog. Door een andere, regelmatigere kristalstructuur te kiezen en zo de beweeglijkheid van de lithium-ionen te verhogen, slaagden de onderzoekers van MIT erin de laadtijd met een factor tien te versnellen.

Kelder: “Ze zijn nu zo ver dat deze batterijen commercieel aantrekkelijk zijn. Ze hebben de technologie verkocht aan Black & Dekker, die er onder meer krachtige boormachines mee uitrust. Overigens zijn er ook in Europa bedrijven die dit type batterijen maken. De Amerikanen zijn misschien iets verder met de technologie, maar vooral veel beter in pr.”

De Europese Unie heeft al langere tijd een groot onderzoeksprogramma lopen naar accusystemen voor auto’s, Liberal. Ook de TU Delft participeert hierin. Kelder: “De bottleneck voor de superbus zit niet in de levering van hoge vermogens, maar in de rijtijd. Op dat vlak zijn nog verbeteringen nodig. Daar werken wij aan in het EU network of excellence Alistore.” Dat netwerk heeft tot doel in tien jaar tijd de opslagcapaciteit per kilo batterij te verdubbelen.

Een belangrijke onderzoeksrichting bevindt zich op het atomaire niveau. Om het uiterst reactieve lithium in toom te houden, wordt het per atoom omringd door zes koolstofatomen. Er valt significant op het gewicht en volume van de accu te besparen door de koolstof te vervangen door silicium, waarvan maar 4,4 atomen per lithiumatoom nodig zijn.

Alleen zorgt lithium voor nogal wat spanning in het atoomrooster van silicium, met scheuren als resultaat. “Wat is het gevolg van die scheuren?”, vraagt Kelder zich retorisch af. “Dat onderzoeken we momenteel, onder andere in een project samen met Shell.”

In het ontwerp van de superbus is een groot batterypack onder de vloer voorzien. Dankzij het aerodynamische ontwerp zou de bus 250 kilometer per uur moeten halen met dezelfde energie die een gewone bus nodig heeft voor 120 kilometer per uur. Maar de echte vraag is dus: hoe lang houdt de superbus dat vol?

Prof.dr. Wubbo Ockels, initiator van de superbus, is optimistisch: “Batterijtechnologie verandert razendsnel. We gaan nu aan de slag met lithium-polymeer batterijen, maar dat kan nog veranderen. In elk geval is de energiedichtheid nu al voldoende voor onze wensen ten aanzien van de rijtijd. Na tweehonderd kilometer maken we een pitstop, waarbij het batterypack snel wordt uitgewisseld met een vol pack.”