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 Storage at EnergyVille/VITO
Lieve De Doncker

Contact

Lieve De Doncker

Business Developer Solar and Storage Materials at EnergyVille/UHasselt
Philip Pieters

Contact

Philip Pieters

Business Developer Solar and Batteries at EnergyVille/imec

Nieuwe materialen voor batterijen

Innovaties in materialen en celontwerp effenen de weg naar solid-state batterijen met aanpasbare prestaties specifiek voor grote en kleine opslagsystemen. Ons materiaalonderzoek bestrijkt alle componenten van de cel met een sterke focus op de ontdekking van nieuwe materialen om lithium-ionbatterijen met een hoge energiedichtheid in vaste toestand mogelijk te maken en ook onderzoek naar post-ionengeneratie, herlaadbaar natriumion, metaalzwavel en metaal luchtcellen, evenals multivalente ionensystemen. De gecombineerde expertise in natte chemische synthese, dampfase en plasmaprocessen zet het EnergyVille batterijconsortium in een unieke positie voor R&D naar nieuwe kathode-, anode- en elektrolytmaterialen en hun beschermende coatings. Onze nieuwe batterijtechnologie is geschikt voor toekomstige elektrische auto's en slimme netten, maar ook voor draagbare slimme elektronica en zelfs implantaten en sensoren in het Internet of Things.

Welke materialen voor batterijen onderzoekt EnergyVille?

  • Elektrodematerialen: Naast directe productie van geavanceerde materiaalsamenstellingen en -morfologieën, werken we ook aan oppervlaktemodificaties van elektrodepoeders zoals de synthese van core-shellmaterialen. Karakterisering en optimalisatie 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 solide nanocomposietelektrolyten is uniek in de wereld en vertoont een recordhoge iongeleidbaarheid. In ons interfacelab hebben we mogelijkheden voor patroonvorming en dunnefilmafzetting voor de elektrische en elektrochemische karakterisering van individuele interfaces en voor het meten van ionengeleidingsvermogens van de interface in verschillende oxide/elektrolytinterfaces.
     
  • 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. De monolithische aard van de nano-SCE zorgt ook voor een volledig contact tussen het actieve materiaal en elektrolyt, zoals het geval is in de huidige cellen met vloeibare elektrolyten.
     
  • 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, karakterisering en testen van batterijen en batterijmaterialen 

Een grondige karakterisering 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 de zogenaamde 'versnelde verouderingstests' voor toepassingen in elektrisch voertuigen of stationaire opslag. Energie en vermogen, thermisch gedrag en levensduur zijn de belangrijkste technische kenmerken van een bepaalde batterij. De geavanceerde methodes tot karakterisering (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

Elektrochemische 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

Samen 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, 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 stroomcollector 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

De 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, in racks en trays. De belangrijkste driver voor dit onderzoek is zoeken naar de optimale configuratie die de prestaties van de batterijtechnologie behoudt, rekening houdend met elektrische maar ook thermische aspecten. Daarnaast moeten de voorgestelde modules stapelbaar zijn, met gestandaardiseerde aansluitingen op elektrische en eventueel thermische beheersystemen van de batterij, die bijdragen aan flexibele oplossingen en tweedehandstoepassingen mogelijk maken, wat past in een circulair economisch model. Om deze activiteit te ondersteunen, vertrouwt EnergyVille op haar expertise op het gebied van batterijmaterialen en celgedrag in verschillende toepassingen en omgevingsomstandigheden.

Batterijmanagementsystemen

EnergyVille heeft een Batterij- en Ultracapacitor Management Systeem ontwikkeld. Een dergelijk systeem moet ervoor zorgen dat een batterij altijd in veilige omstandigheden en op een energie-efficiënte manier gebruikt wordt. Het BMS monitort de componenten in een batterij en bevat een batterijmodel dat de energie-inhoud (State of Charge) inschat door gemeten cel-voltages, spanning en temperatuur. Op die manier krijgen we inzicht in hoe batterijen ouder worden en afzwakken. Daarnaast modelleren we ook batterijen om warmte-effecten te bestuderen, die een grote impact kunnen hebben op de batterijen. Door de batterij beter te monitoren en controleren verlengen we de levensduur zonder dat de veiligheid in het gedrang komt, en een langere levensduur betekent natuurlijk lagere kosten.

Batterij-integratieondersteuning

Op basis van zijn expertise op het gebied van opslagtechnologieën en in het bijzonder batterijen, biedt EnergyVille diensten aan om objectief de haalbaarheid van een batterijoplossing voor een bepaalde toepassing met specifieke omstandigheden te controleren. De juiste keuze van technologie en de dimensionering daarvan kan worden voorgesteld in combinatie met inzichten in de verbinding met het totale energiesysteem en de gerelateerde eisen en normen. In dit kader 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 op basis waarvan betere beslissingen kunnen worden genomen.