Elektrische opslag heeft een belangrijke rol te spelen in de energietransitie. Niet alleen om de brug te slaan tussen productie en verbruik van hernieuwbare elektrische energie, maar ook om elektrisch transport te verbeteren, voeren we binnen EnergyVille uitvoerig onderzoek naar betere, veiligere en efficiëntere batterijtechnologieën. Naast nieuwe batterijmaterialen en technologieën, wordt ook onderzocht hoe bestaande technologieën geoptimaliseerd kunnen worden. Het ultieme doel is het bereik, de levensduur, de laadsnelheid en de prestaties van batterijen te verbeteren zonder in te boeten op de veiligheid.

Elektrisch
Serge Peeters

Contact

Serge Peeters

Business Developer Electrical Storage at EnergyVille/VITO
Lieve De Doncker

Contact

Lieve De Doncker

Business Developer Solar and Storage Materials at EnergyVille/UHasselt
Bart Onsia

Contact

Bart Onsia

Business Development Manager at EnergyVille/imec
Jorne Carolus

Contact

Jorne Carolus

Business Developer Solar and Storage Materials at EnergyVille/UHasselt

Nieuwe materialen voor batterijen

Batterijen die worden gebruikt in stationaire toepassingen, maar ook die voor mobiel gebruik (auto, drone, kofferbak, vliegtuig, fiets) vertonen specifieke behoeften die gerespecteerd moeten worden in de materiaalontwikkeling.

electrolyt solid state battery Het EnergyVille-batterijonderzoek bestrijkt de hele waardeketen, van basismateriaalonderzoek, celarchitecturen en nieuwe batterijconcepten tot batterijbeheer en systeemintegratie. Voor de volgende generatie lithium-ionbatterijen (Li-ion) richten we ons op vastestofbatterijen (solid-state). In onze pilootlijn met dry room schalen we processen op om tot knoopcellen (coin cells) en Amp-uur pouch-cellen te demonstreren. De materialen, verwerking en opschalingstaken worden ondersteund door sterke modelleeractiviteiten en een geavanceerde karakterisatie-expertise. Daarnaast kijken we naar een verkennende chemie voor de markt na 2030. We bestuderen ook duurzamere technologieën zoals Lithium-zwavel(LiS) -gebaseerde batterijen en werken aan het verbeteren van hun prestaties naar de volgende generatie batterijen die worden gebruikt in lichtgewicht toepassingen zoals drones, e- fietsen, ruimtevaarttoepassingen evenals de stationaire of autoaccu's. Onze aandacht gaat ook uit naar op Natrium-ion (Na-ion)-gebaseerde technologieën met een natuurlijke overvloed van dit materiaal als een belangrijk voordeel.

Welke materialen voor batterijen onderzoekt EnergyVille?

  • Elektrodematerialen: Naast directe productie van geavanceerde materiaalsamenstellingen en -morfologieën, werken we aan oppervlaktemodificaties van elektrodepoeders zoals de synthese van core-shellmaterialen. Karakterisatie van de fysische, chemische en elektrochemische eigenschappen van elektrodematerialen verschaft ons fundamenteel begrip dat een cruciaal voordeel vormt bij verdere stappen en optimalisatie.
     
  • Vaste elektrolyten: we hebben de faciliteiten en expertise om vaste elektrolytmaterialen te synthetiseren en te karakteriseren. Ons onderzoek naar en ontwikkeling van vastestofnanocomposietelektrolyten is uniek in de wereld en vertoont een recordhoge ion-geleidbaarheid. 
     
  • Dichte elektroden met hoge capaciteit: een belangrijke differentiator van onze nano-SCE-technologie is dat deze is gemaakt van een vloeibare precursor. Dit maakt het mogelijk om gemakkelijk in dichte poreuze elektroden te worden ingebracht in vloeibare vorm, waar het, eenmaal op zijn plaats, wordt gestold. Vanuit een technologisch oogpunt zijn er slechts kleine aanpassingen nodig aan bestaande gereedschapssets voor (natte) Li-ion-batterijen, een ontwikkeling die ook wordt uitgevoerd in onze pouch cell-pilootlijn. Vanuit het oogpunt van prestaties maakt dit een hoge volumetrische capaciteit mogelijk, aangezien vaste dichte elektroden met een hoge verhouding van actief materiaal nu mogelijk zijn. 
     
  • Functionele bufferlagen: de introductie van hoogspannings-positieve elektroden ("5V-materialen") wordt gehinderd door een gebrek aan elektrolyten met een voldoende groot elektrochemisch venster. In ons celintegratiewerk worden ultradunne bufferlagen aangebracht om de ionengeleiders van de elektronische geleiders te isoleren. Fundamenteel materiaalonderzoek naar de zogenaamde dual-conductor materialen zal de weg vrijmaken voor ultra-dichte elektroden met snelle laadkarakteristieken.
     
  • Lithium-metaalanodes: Lithium-metaalanodes zijn sinds hun uitvinding in het midden van de 20e eeuw de heilige graal van oplaadbare Li-ion-batterijen. Algemeen wordt aangenomen dat de solid-state batterijtechnologie uiteindelijk lithiummetaalanodes mogelijk zal maken. Naast de chemische stabiliteit zijn er echter nog veel meer problemen die moeten worden opgelost. Verschillende benaderingen worden geëvalueerd in ons laboratorium en een combinatie van twee of meer benaderingen zal waarschijnlijk nodig zijn om tot een technologisch haalbare oplossing te komen.

Modellering, karakterisatie en testen van batterijen en batterijmaterialen 

Een grondige karakterisatie van de celprestaties en zijn bestanddelen (bijvoorbeeld kathode, anode, elektrolyt en separator) is een cruciale stap om de maturiteit van een nieuwe component of celarchitectuur te beoordelen. Bovendien moet de levensduur van batterijen voor vele duizenden cycli worden verzekerd door het uitvoeren van zogenaamde 'versnelde verouderingstests' voor toepassingen in elektrische voertuigen of stationaire energie-opslag. Energie en vermogen, thermisch gedrag en levensduur zijn de belangrijkste technische kenmerken van een bepaalde batterij. De geavanceerde methodes tot karakterisatie (d.w.z. elektrochemische, chemische en fysische) die beschikbaar zijn in EnergyVille maken een uitgebreid onderzoek van het gedrag van de batterij mogelijk. De experimentele gegevens worden verder geïnterpreteerd met behulp van op fysica gebaseerde modellen om de resultaten ondubbelzinnig en kwantitatief te interpreteren en om het gedrag van de batterij te voorspellen na experimenten (lifetime simulation).

Nieuwe batterijcel-architecturen

Battery researh EnergyVilleElektrochemische cellen zijn de bouwstenen van batterijmodules en -pakketten en bepalen in hoge mate de energieopslagkenmerken van een bepaald batterijontwerp. Nieuwe celstructuren zijn essentieel om tegemoet te komen aan de almaar toenemende vraag naar lichtere en veiligere batterijen met meer kracht en opslagmogelijkheden. In dit opzicht is R&D vereist om het aandeel van de inactieve componenten (bijvoorbeeld stroomcollectoren, geleidende additieven, separator, elektrolyt, bindmiddel, verpakking, etc.) in de totale massa/volume van de cel te verminderen. De geavanceerde processen en pouch line-infrastructuur in EnergyVille hebben tot doel de R&D-activiteiten te versnellen naar nieuwe elektrolyten en elektroden waar hoge belasting van actieve massa en hoge elektronische / ionische geleidbaarheden worden gekoppeld om de prestatielimieten van de nieuwste batterijen (dwz lithium-ion) te verleggen en om de volgende generatie (bijv. solid-state, Na-ion, lithiumzwavel, metaal-lucht, enz.) celchemie te realiseren.

Verkennende celconcepten

Battery researh EnergyVilleSamen met de verkenning van nieuwe materialen en celarchitecturen verkennen we nieuwe concepten voor batterijcellen. In deze out-of-the-box benadering stappen we af van conventionele poedergebaseerde composietbatterijen en zoeken we naar nieuwe en verbeterde manieren om vereisten voor toekomstige toepassingen aan te pakken. Bijvoorbeeld, een flexibele en dunne vormfactor zal nodig zijn voor flexibele elektronica, geïntegreerde kleine batterijen zullen nodig zijn om het Internet of Things van stroom te voorzien. Nano-gestructureerde stroomcollectoren en dunne filmmaterialen zijn potentiële concepten die we onderzoeken. Ook bestaande concepten zoals metaal-lucht en lithium-zwavelbatterijen zullen out-of-the-box-innovatie nodig hebben om enkele van de vele resterende praktische problemen aan te pakken. Ook hier worden nieuwe nanoengineerconcepten verkend.

Nieuwe batterijconcepten

Ultracaps electrical storage Batteries EnergyVilleDe ontwikkeling van nieuwe batterijceltechnologieën en -architecturen gaat hand in hand met het zoeken naar nieuwe concepten voor batterijmodules en hun integratie in het totale batterijpakket. De belangrijkste driver voor dit onderzoek is de zoektocht naar de optimale configuratie die de prestaties van de batterijtechnologie behoudt, rekening houdend met elektrische en thermische maar ook mechanische aspecten. Daarnaast moeten de voorgestelde modules typisch stapelbaar zijn, met gestandaardiseerde aansluitingen op elektrische en eventueel thermische beheersystemen van de batterij. Dit verhoogt de flexibiliteit van het batterijsysteem en draagt bij aan de haalbaarheid van tweedehandstoepassingen, wat past in een circulair economisch model dat Europa voor ogen houdt. Deze activiteit wordt stevig ondersteund en onderbouwd door de expertise van EnergyVille op het gebied van batterijmaterialen en celgedrag in verschillende toepassingen en omgevingsomstandigheden.

Batterijmanagementsystemen (BMS)

Battery Management System BMSEnergyVille ontwikkelt innovatieve batterij management systemen (BMS) voor een veilige en efficiënte inzet van batterijen in verschillende mobiele en stationaire toepassingen. Deze technologie bouwt verder op zelf ontwikkelde monitoring systemen voor brandstofsystemen en kan ook worden aangewend bij andere opslagtechnologieën zoals supercondensatoren, of zelfs technologiecombinaties in hybride opslag systemen. De continue meting en analyse van individuele cel- en pakketeigenschappen maken een nauwkeurige inschatting van de laad- en gezondheidstoestand mogelijk. Bij EnergyVille wordt hard ingezet op het aanbieden van flexibele en configureerbare software en hardware voor BMS oplossingen die kunnen inspelen op de exacte noden van de klant. Ook de ontwikkeling van nog meer geavanceerde batterij modellen en technieken die bijvoorbeeld een inschatting maken van degradatie of eventuele fouten vroegtijdig kunnen identificeren, staat hoog op de agenda. Door de combinatie te maken met gebouw en voertuig management systemen tracht EnergyVille op deze manier batterijen op een veilige en kostenefficiënte manier te integreren.

Batterij-integratieondersteuning

Battery integrationDoor haar erkende expertise op het gebied van opslagtechnologieën en in het bijzonder batterijen, is EnergyVille de geknipte partner voor een objectieve haalbaarheidsstudie van een batterijoplossing, gegeven een bepaalde toepassing met specifieke gebruiksomstandigheden. EnergyVille adviseert vervolgens ook rond de juiste keuze en dimensionering van technologie en verschaft ook inzichten en richtlijnen met betrekking tot het totale energiesysteem en de gerelateerde eisen en normen. Verder ontwikkelt EnergyVille ook geavanceerde technologieën voor een meer optimale integratie die zowel de behoeften van de eindgebruiker als het daarmee verbonden netwerk dient. Voor de operationele fase ondersteunt EnergyVille energiemanagementsystemen door meer gedetailleerde batterijinformatie te verstrekken zodat betere techno-economische beslissingen kunnen worden genomen.