Betere energieopslag dankzij materiaalkundig onderzoek

De materiaalkunde speelt een centrale rol in de zoektocht naar betere mogelijkheden voor energieopslag. In het NanoLab van het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van de Universiteit Twente speurt Mark Huijben samen met andere wetenschappers en studenten naar technologische doorbraken door middel van het op de nanoschaal bestuderen en ontwerpen van nieuwe materialen. Eén zo’n doorbraak is de vastestofbatterij. ‘In conventionele batterijen worden de twee polen, de anode en de cathode, verbonden door een vloeistof, het elektrolyt,’ legt Huijben uit. ‘Vervanging van de vloeistof door een vaste stof levert een hogere energiedichtheid op en meer vermogen. Dat komt onder meer doordat je in een vastestofbatterij geen koel- en beschermingsvoorzieningen nodig hebt, omdat de vaste stof niet kan lekken, onschadelijk is en ongevoelig voor oververhitting; je houdt dus meer ruimte over voor energieopslag.’

De eredivisie van de batterijwereld

In de industrie wordt de vastestof lithium-ion batterij gezien als de veilige, krachtige, duurzame batterij van de toekomst. Dankzij het werk dat Huijben met zijn team uitvoert, treedt de UT toe tot de eredivisie van de batterijwereld: het Europese onderzoeksinstituut Alistore, een samenwerkingsverband van toponderzoekers op het gebied van batterijen. Huijben: ‘Onze expertise bij het MESA+ Instituut is dat we wis-, natuur- en scheikunde combineren in fundamenteel nanomateriaalonderzoek. De faciliteiten in het Nanolab zijn essentieel voor ons onderzoek. We kunnen hier nieuwe materialen atoom voor atoom opbouwen. Die controle stelt ons in staat slim te ontwerpen en de prestaties van materialen te verbeteren. Dat heeft ertoe geleid dat we de vaste stof in een batterij heel precies kunnen aanbrengen voor optimale geleiding. Door die expertise te combineren met die van andere spelers in de wereld van de energieopslag, bijvoorbeeld de Technische Universiteit Delft en in Duitsland de Universiteit Münster en Forschungszentrum Julich, kunnen we in de komende jaren grote stappen maken. Een batterij die je na het leeglopen weer duizend keer opnieuw kunt opladen in plaats van slechts honderd keer, zonder enige afname van de energiecapaciteit, is zeker niet meer ondenkbaar.’

Vooral kleinschalige toepassingen

Industriële belangstelling voor betere batterijen is groot, volgens Huijben. ‘Wij doen momenteel onderzoek op het vlak van kleinere batterijtoepassingen. Dat komt onder meer doordat de huidige productie van de vastestofbatterij complex is. We richten ons op kleinschalige, hoogwaardige toepassingen, waarbij de batterij een hoge energiedichtheid moet hebben en een lange tijd op z’n plek moet blijven zonder de noodzaak tot vervangen. Denk aan batterijen in sensoren voor Internet of Things-oplossingen, of in kleine medische apparaten. Als dat een feit is en er vindt opschaling plaats, kunnen we ook gaan denken aan grotere toepassingen, zoals auto-accu’s.’

Prof.dr.ir. Mark Huijben
prof.dr.ir. M. Huijben (Mark)
Adjunct hoogleraar ‘Nanomaterials for Energy Conversion & Storage’ | Faculteit Technische Natuurwetenschappen, Universiteit Twente | Wetenschappelijk leider onderzoeksprogramma ‘Storage and conversion of renewable energy’, MESA+ Instituut voor de Nanotechnologie. Aandachtsgebied: nanomaterialen voor energieconversie en -opslag

‘Na mijn studie technische natuurkunde aan de Universiteit Twente heb ik een paar jaar onderzoek gedaan aan de Universiteit van Californië Berkeley. Ik had een sterke persoonlijke interesse in controle van materialen op allerlei schalen en wilde daarnaast iets vernieuwends doen, bijdragen aan een doorbraak op een belangrijk maatschappelijk thema. Energie is zo’n thema. Terug in Twente, sla ik met mijn werk de brug tussen fundamenteel onderzoek en praktische toepassing met als doel een steentje bij te dragen aan duurzame energie. Ik geniet van mijn werk: ik mag iedere dag de gekste materiaalcombinaties bedenken en fabriceren – en zo ontdekkingen doen die mogelijk heel belangrijk worden voor ons en onze kinderen.’