Aluminium accu laadt in 1 minuut (video)

"We hebben een herlaadbare aluminium batterij ontwikkeld die veel huidige typen kan vervangen, zoals alkaline-batterijen die slecht voor het milieu zijn en lithium-ion batterijen die nu en dan spontaan in de brand vliegen", zegt chemiehoogleraar Hongjie Dai. "Onze batterij brandt niet, zelfs als je er doorheen boort".

Aluminium wordt al lang beschouwd als een aantrekkelijk materiaal voor batterijen, omdat het goedkoop is, bijna onontbrandbaar een een hoge ladingsopslagcapaciteit heeft. Tientallen jaren hebben onderzoekers zonder succes geprobeerd om een commercieel  levensvatbare aluminium-ion batterij te ontwikkelen. Een belangrijke uitdaging daarbij was het vinden van materialen die voldoende spanning afgeven na veel laad- en ontlaadcyclussen.

Grapfiet kathode

Een aluminium-ion batterij bestaat uit twee elektroden: een negatief geladen anode van aluminium en een positief gelade kathode.

"Onderzoekers hebben het geprobeerd met verschillende soorten materialen voor de kathode", aldus Dai. "Wij ontdekten bij toeval een simpele oplossing: het gebruik van grafiet – in feite koolstof. We hebben een paar soorten grafietmateriaal gevonden die leiden tot goede prestaties."

Voor hun experimentele batterij plaatste het team in Stanford de aluminium anode en grafiet kathode, samen met een ionische, vloeibare elektrolyt in een flexibele, met polymeer beklede omhulling. "De elektrolyt is een zout dat vloeibaar is bij kamertemperatuur, dus het is heel veilig", zegt mede-onderzoeker Ming Gong.

Aluminium batterijen zijn veiliger dan de conventionele lithium-ion batterijen die momenteel in laptops en mobiele telefoons worden gebruikt, voegt Dai toe.

"Maar naast de veiligheid hebben we ook belangrijke doorbraken bereikt met de prestaties van de aluminium batterij." Een voorbeeld is ultrasnel laden. Wie een smartphone heeft, weet dat het uren kan duren om een lithium-ion batterij te laden. Maar het team in Stanford meldt "nog niet eerder vertoonde laadtijden", tot slechts een minuut.

Duurzaamheid is een andere belangrijke factor. Aluminium batterijen die eerder zijn ontwikkeld op andere laboratoria gaven gewoonlijk de geest na  zo’n 100 laad/ontlaadcyclussen. Maar de Stanford-batterij haalt meer dan 7500 cyclussen zonder capaciteitsverlies. Ter vergelijking: een gemiddelde lithium-ion batterij haalt ongeveer 1000 cyclussen.

"Een andere eigenschap van de aluminium batterij is flexibiliteit", zegt Gong. "Je kunt het vouwen en buigen, dus het kan worden gebruikt in flexibele elektronicaproducten. Bovendien is aluminium een goedkoper metaal dan lithium."

Toepassingen

Naast kleine elektronische toestellen kunnen aluminium batterijen worden gebruikt on duurzame elektriciteit in het energienet op te slaan, zegt Dai. "Voor het grid is een batterij nodig met een lange levensuur, die snel energie kan opslaan en afgeven. In onze nieuwstee, nog niet gepubliceerde data gaan we ervan uit dat een aluminium batterij tienduizenden malen kan worden herladen."

Aluminum-ion technologie is ook een milieuvriendelijk alternatief voor wegwerp alkalinebatterijen.  Dai: "Miljoenen consumenten gebruiken 1,5-volt AA en AAA batteriijen. Onze herlaadbare aluminium batterij genereert ongeveer twee volt. Dat is hoger dan tot nu toe werd bereikt mt aluminium. Maar om op hetzelfde niveau te komen als de spanning van lithium-ion batterijen, zijn nog meer verbeterstappen nodig. We zitten nu ongeveer op de helft van die spanning, maar het verbeteren van het kathodemateriaal zou kunnen leiden tot een hogere spanning en energiedichtheid. Verder heeft onze batterij alles waarvan je kunt dromen: goedkope elektroden, goede veiligheid, snelle laadtijd, flexibiliteit en een lange levensduur. Het is een nieuw type batterij – in zijn kinderschoenen."

Dai en zijn collega’s beschrijven hun batterij in het artikel "An ultrafast rechargeable aluminum-ion battery" in het tijdschrift Nature.