Paul van Gerven
6 December 2016

Oude zonneceltechnologie van ECN lijkt de gebeden van de smartphonegrootgebruiker te verhoren: meer energie in (bijna) dezelfde batterij.

Het is de grootste frustratie van het always connected-tijdperk: de lege accu. Wie zijn telefoon veel gebruikt, moet aan het einde van de dag naar het stopcontact hollen. Geen wonder dus dat overal ter wereld naarstig onderzoek wordt gedaan naar batterijen: wie een betere batterij kan ontwikkelen, is spekkoper.

De hooggespannen verwachtingen zijn ook marketingafdelingen niet ontgaan. Wie het veld een beetje bijhoudt, leest bijna elke week wel over een nieuwe ‘doorbraak’. Soms gaat het over een nieuw idee of ontwerp maar vaak ook over aanpassingen die de gangbare lithiumionaccu’s verbeteren. In hoeverre – en hoe snel – deze vondsten in productie kunnen worden genomen, is echter meestal een groot vraagteken.

Het geval Leydenjar Technologies is anders. Ook de start-up uit Leiden heeft nog de nodige obstakels te overwinnen, maar het bedrijf is in elk geval het researchstadium voorbij. Met recent opgehaald kapitaal gaat het de komende maanden zijn anoderecept bewijzen in echte batterijen, om vervolgens geld te verzamelen voor een proeffabriek. Als alles goed gaat, staan batterijfabrikanten in de rij voor een licentie en houdt onze smartphonebatterij (of elektrische auto of thuisaccu) vanaf 2020 de helft meer energie vast.

silicium anode
Elektronenmicroscopische opname van Leydenjars nanogestructureerde silicium anode

Doorslag

Aan de basis van Leydenjar – vernoemd naar de Leidse Fles, een voorloper van de batterij – staat een materiaal dat twaalf jaar geleden is uitgevonden. ECN-onderzoeker Wim Soppe hoopte dat hij goede dunnefilmzonnecellen kon maken door silicium als een dunne laag nanopilaartjes op een substraat aan te brengen met plasma-enhanced chemical vapour deposition (pecvd). Het concept bleek een doodlopende weg, maar jaren later dacht Soppe terug aan de experimenten toen hij las over silicium anodes in lithiumionbatterijen.

BCe24 save the date

Silicium is een aantrekkelijk alternatief voor de standaard anodes van grafiet omdat het tot wel driemaal meer lithiumionen kan herbergen per volume-eenheid. Probleem is dat het bij het laden en ontladen dusdanig opzwelt en weer krimpt dat het scheurt. De batterij gaat daardoor snel kapot.

‘De poreuze nanostructuur die wij het silicium meegeven, vangt de expansie op. Dat weten we nu zeker, want we hebben het gemeten. We zitten qua lithiumbelading zelfs dicht tegen het theoretische maximum aan’, vertelt Christiaan Rood, medeoprichter en algemeen directeur van Leydenjar. ‘De volgende stap is laten zien dat het de capaciteit van batterijen daadwerkelijk verhoogt. Daarvoor werken we samen met een gerespecteerde onafhankelijke partner, het Duitse onderzoeksinstituut ZSW.’

Voor optimale werking moet in batterijen de laag nanosilicium tien micron dik worden, honderd keer dikker dan bij de oorspronkelijke uitvinding. Een andere open vraag is welk elektrolyt het beste past bij de nieuwe anode. Tussen anode en elektrolyt vormt zich namelijk een dunne vaste laag, de solid electrolyte interphase, die een batterij kan maken of breken.

De grootste opgave, vertelt Rood, is echter om aan te tonen dat het pecvd-proces van Leydenjar goed in bestaande batterijproductie past en dat het kan concurreren. ‘Batterijfabrikanten zijn gewend hun anodes te maken door slurry’s op koper in te drogen. Wij komen met iets heel anders. Het is roll-to-roll en dus snel, maar zal toch minder makkelijk worden geaccepteerd. Maar uiteindelijk weet geen enkele andere partij de capaciteitsverbetering te realiseren die wij halen. Dat gaat de doorslag geven, denken wij.’