Hoge energiedichtheid maakt nieuwe supercondensators geschikt voor elektrische auto's

In elektrische auto's worden over het algemeen lithium-ion accu's gebruikt. Een belangrijk nadeel van deze accu's is de relatief lange laadtijd, waardoor elektrische auto's al snel enkele uren nodig hebben om volledig op te laden. Een alternatief dat sneller opgeladen kan worden zijn supercondensators, die door hun relatief lage energiedichtheid vooralsnog minder geschikt zijn voor elektrische auto's. Een ontwikkeling van de Britse Universiteit van Surrey en de Universiteit van Bristol in samenwerking met het bedrijf Superdielectrics kan hier verandering in brengen.

Lithium-ion accu’s zijn met name vanwege hun hoge energiedichtheid populair en worden in uiteenlopende apparaten toegepast. Denk hierbij aan elektrische auto’s, maar ook aan smartphones en laptops. De accu’s hebben echter belangrijke nadelen. Zo laden de accu’s relatief langzaam op, mogen zij niet te ver worden ontladen, zijn zij relatief duur en hebben zij eenbeperkte levensduur. Supercondensators zijn een alternatief voor lithium-ion accu’s en slaan energie op met behulp van elektroden en elektrolyten, die het mogelijk maken snel energie op te slaan en af te geven. Supercondensators kunnen hierdoor zonder capaciteit te verliezen een groot aantal keer worden opgeladen en ontladen. Dit opladen en ontladen gaat daarnaast razendsnel.

Lage energiedichtheid per kilogram

De huidige generatie supercondensators heeft echter een relatief lage energiedichtheid, die ongeveer een twintigste bedraagt van die van lithium-ion accu’s. Dit zorgt ervoor dat supercondensators ondanks hun vermogen om snel opgeladen en ontladen te worden op dit moment geen haalbaar alternatief zijn voor lithium-ion accu’s. Ondanks deze beperkingen wordt de technologie in China overigens al wel gebruikt in stadsbussen. Deze bussen moeten echter bij nagenoeg iedere bushalte opnieuw worden opgeladen door de lage energiedichtheid van supercondensators. 

De twee Britse universiteiten en Superdielectrics maakten vorig jaar bekend nieuwe polymere materialen ontwikkeld met dielektrische eigenschappen die 1.000 tot 10.000 keer groter zijn dan bestaande elektrische geleiders. De onderzoekers melden nu met behulp van deze materialen erin geslaagd te zijn supercondensators met een fors hogere energiedichtheid te ontwikkelen. Deze hogere energiedichtheid zorgt ervoor dat supercondensators nu wél een interessant alternatief kunnen vormen voor lithium-ion accu’s en in de toekomst mogelijk ingezet kunnen worden in onder meer elektrische voertuigen.  

180 wattuur per kilogram

Zo wisten de onderzoekers door het polymeer dat zij hebben ontwikkeld te combineren met een goedkope metalen elektrodefolie een capaciteit te realiseren van 4F/cm2. Door het polymere materiaal te combineren met roestvrijstalen elektroden die een speciale behandeling hebben gekregen kon de capaciteit zelfs worden vergroot tot 11 tot 20F/cm2. Details over deze elektroden houden de onderzoekers in verband met een patentaanvraag vooralsnog geheim. Ter vergelijking: bestaande supercondensators bieden doorgaans een capaciteit van 0,3F/cm2. De onderzoekers verwachten dat indien het lukt deze capaciteit in productie te realiseren, het mogelijk is supercondensators te bouwen met een energiedichtheid van 180 wattuur per kilogram (whr/kg). 

De onderzoekers hebben de nieuwe materialen op twee manieren getest: 

• door kleine enkellaagse cellen te gebruiken die worden opgeladen tot 1,5 volts en gebruikt worden om kleine demonstratieapparaten zoals een ventilator aan te drijvend
• door een combinatie van drie cellen te gebruiken die worden opgeladen tot vijf volt en een LED-lamp laten branden. 
   

Onderzoekscentra en productiefaciliteit

Bij deze experimenten zijn dus relatief kleine elektrische apparaten aangedreven met behulp van de nieuwe supercondensators. De onderzoekers verwachten echter dat de supercondensators op termijn ook gebruikt kunnen worden in elektrische auto’s. Superdielectrics heeft inmiddels plannen een onderzoekscentra op te richten en productiefaciliteit te bouwen waar de supercondensators in kleine oplages kunnen worden geproduceerd. 

“Deze resultaten zijn zeer opwindend en het is moeilijk te geloven hoe ver we in zo’n korte tijd zijn gekomen. We staan mogelijk aan het begin van een nieuw hoofdstuk in technologie voor lage energieopslag dat de toekomst van de industrie en maatschappij vele jaren kan gaan vormgeven”, aldus Dr. Brendan Howlin, een docent Computationele Chemie bij de Universiteit van Surrey. 

Dr. Donald Highgate, directeur Onderzoek bij Superdielectric en een alumni van de Universiteit van Surrey, voegt toe: “Indien het huidige werk in productie kan worden genomen belooft dit het snel opladen van elektrische voertuigen mogelijk te maken en een broodnodige goedkope methode te bieden om energie uit duurzame energiesystemen op te slaan. Wind-, golf- en zonne-energie is beschikbaar, maar is niet constant. Zonder opslag kan hierop niet vertrouwd worden om aan onze energiebehoeften te voldoen. Dit nieuwe werk kan zorgen voor een transformatie van het energiesysteem dat onze volledige manier van leven ondersteunt – het is een ontwikkeling die noodzakelijk is om onze kinderen en ons een echt duurzame en milieuvriendelijke energieopslagmethode te bieden.”

Auteur: Wouter Hoeffnagel
Bron: University of Surrey
Bron: University of Bristol
Bron foto: Pixabay/ paulbr75