Gelelektrolyt: de dikke, veilige tussenlaag in batterijen
Een gelelektrolyt is de gelei-achtige stof in een batterij die ervoor zorgt dat elektrische lading van de ene naar de andere elektrode kan stromen, zonder dat de vloeistof kan weglekken of makkelijk vlam vat. Waar een gewone batterij vaak een dunne, waterige vloeistof als elektrolyt gebruikt, is een gelelektrolyt dikker gemaakt, ongeveer zoals bij het maken van jam of pudding. Het water of oplosmiddel zit nog steeds in het mengsel, maar is vastgehouden in een net van moleculen zodat het geheel niet meer vloeit.
Denk aan het verschil tussen een glas water en een bakje wiebelpudding. In beide zit vocht, en in beide kunnen kleine deeltjes zich verplaatsen. Maar het glas water kan omvallen en leeglopen, terwijl de pudding op zijn plek blijft zitten, ook als je het bakje kantelt. Zo werkt een gelelektrolyt ook: de ionen (elektrisch geladen deeltjes die de stroom dragen) kunnen er nog steeds doorheen bewegen, maar de stof zelf lekt niet en verdampt minder snel. Dat maakt batterijen met een gelelektrolyt vaak veiliger en robuuster dan varianten met een puur vloeibare elektrolyt.
Wat is het precies?
In elke oplaadbare batterij zitten twee elektroden (een plus- en een minpool) met daartussen een elektrolyt: het medium waardoorheen ionen heen en weer bewegen tijdens het opladen en ontladen. Bij de bekende lithium-ion-batterij in een smartphone of elektrische auto is dat meestal een vloeibare oplossing van lithiumzouten in een organisch oplosmiddel. Die vloeistof geleidt heel goed, maar is ook brandbaar en kan lekken bij beschadiging.
Een gelelektrolyt is een tussenvorm. Fabrikanten mengen de vloeibare elektrolyt met een polymeer (een lange keten van herhalende moleculen, vergelijkbaar met plastic) dat als een soort spons of net fungeert. De vloeistof blijft chemisch actief en laat ionen doorstromen, maar wordt mechanisch vastgehouden door het polymeernetwerk. Het resultaat gedraagt zich niet meer als een vrij stromende vloeistof, maar ook niet als een volledig vaste stof: vandaar dat je ook wel de term semi-solid of quasi-solid (halfvast) tegenkomt.
Deze aanpak bestaat in meerdere varianten. In loodzuuraccu's, zoals die in zonne-energiesystemen of scootmobielen, wordt silica (kiezelzuur) toegevoegd aan de zwavelzuur-elektrolyt om een gel te vormen; dit voorkomt lekkage en zogeheten zuurstratificatie (het ongelijk verdelen van zuur in de accu). In lithiumbatterijen wordt vaak een polymeer als PVDF gebruikt, doordrenkt met vloeibare elektrolyt, wat de basis vormt van wat bekendstaat als een lithium-polymeerbatterij. Recentere onderzoeksversies proberen de hoeveelheid vrije vloeistof nog verder te verminderen, als tussenstap richting volledig vaste (solid-state) batterijen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is veiligheid. Vloeibare elektrolyten in lithiumbatterijen zijn brandbaar; bij beschadiging, kortsluiting of oververhitting kan dat leiden tot brand of een zogeheten thermal runaway (een ongecontroleerde kettingreactie van oplopende temperatuur). Een gel is minder vluchtig en lekt niet, wat het risico verkleint zonder dat je meteen naar een volledig vaste elektrolyt hoeft over te stappen, wat technisch veel lastiger is.
Daarnaast speelt praktisch gemak mee. Gel-batterijen hoeven niet rechtop te staan, zijn onderhoudsvrij (geen water bijvullen zoals bij klassieke loodzuuraccu's) en zijn beter bestand tegen trillingen, wat ze geschikt maakt voor mobiele toepassingen zoals boten, campers en rolstoelen.
Voor lithiumbatterijen in elektrische auto's is er nog een derde drijfveer: energiedichtheid, oftewel hoeveel energie er in een bepaald gewicht of volume past. Door de elektrolyt te verdikken en te combineren met andere elektrodematerialen, hopen fabrikanten batterijen te maken die verder komen op een lading, sneller opladen en minder snel achteruitgaan na veel laadcycli. Het is nadrukkelijk een tussenstap: de industrie ziet gel- en halfvaste elektrolyten als een haalbare brug tussen de huidige vloeibare lithium-ion-technologie en de nog niet rijpe, volledig vaste batterij.
Voorbeelden uit de praktijk
Gel-loodzuuraccu's zijn al decennia gangbaar. Het Duitse merk Sonnenschein introduceerde in de jaren tachtig zijn zogeheten dryfit-gel-technologie, die tegenwoordig via het Amerikaanse bedrijf EnerSys nog steeds wordt verkocht voor toepassingen als noodstroomvoorziening en telecommunicatie. Ook het Nederlandse Victron Energy, bekend van omvormers en laadregelaars voor zonne-energiesystemen, biedt gel-accu's aan als robuust alternatief voor natte loodzuuraccu's in off-grid installaties.
In consumentenelektronica is de lithium-polymeerbatterij met gelelektrolyt al sinds begin jaren 2000 de norm in smartphones, laptops en drones. De platte, flexibele vorm die deze technologie mogelijk maakt, is precies waarom fabrikanten als Apple en Samsung er al lang op leunen: zonder een stevige metalen behuizing kan de batterij dunner en lichter worden vormgegeven.
In de auto-industrie experimenteren meerdere partijen met halfvaste (semi-solid) elektrolyten die dicht bij een gel aanleunen. Het Amerikaanse bedrijf Factorial Energy ontwikkelt een quasi-solid elektrolyttechnologie en werkt daarbij samen met autofabrikanten als Mercedes-Benz en Stellantis aan proefcellen voor toekomstige elektrische modellen. Het Taiwanese ProLogium ontwikkelt een vergelijkbare hybride technologie en kreeg enkele jaren geleden een investering van Mercedes-Benz. Ook Chinese batterijmakers zoals WeLion werken aan halfvaste lithiumcellen die door autofabrikanten worden getest voor gebruik in elektrische voertuigen met een groot rijbereik. Bij dit soort aankondigingen is het goed om te beseffen dat de weg van laboratoriumcel naar massaproductie vaak jaren duurt en dat niet elke aangekondigde samenwerking uiteindelijk tot een verkrijgbaar product leidt.
Hoe ver is de techniek?
Gel-loodzuuraccu's en lithium-polymeerbatterijen met gelelektrolyt zijn allang geen experimentele techniek meer; ze zijn commercieel volwassen en worden op grote schaal geproduceerd. Daar zit voor de gewone consument dus weinig nieuws meer in.
Interessanter, en nog volop in ontwikkeling, is het gebruik van gel- en halfvaste elektrolyten als opstap naar veiligere en energiedichtere batterijen voor elektrische auto's en stationaire energieopslag. Hier lopen fabrikanten tegen een aantal hardnekkige problemen aan. Ten eerste geleiden gels doorgaans minder goed dan pure vloeistoffen, zeker bij lage temperaturen, wat ten koste kan gaan van laad- en ontlaadsnelheid. Ten tweede is het grensvlak tussen de gel en de vaste elektroden lastig stabiel te houden over duizenden laadcycli, wat op termijn tot capaciteitsverlies leidt. Ten derde is opschalen van laboratoriumsucces naar betaalbare massaproductie een notoir moeilijke stap in de batterij-industrie.
Het tempo van vooruitgang is de afgelopen jaren duidelijk versneld, mede gedreven door de vraag naar veiligere en verder rijdende elektrische auto's, maar onafhankelijke, grootschalige langetermijndata over betrouwbaarheid in het dagelijks gebruik zijn nog schaars. Veel claims over rijbereik en levensduur zijn op dit moment vooral afkomstig van de fabrikanten zelf en verdienen dus een kritische blik totdat ze in de praktijk breed zijn bevestigd.
Wie werken eraan?
Op het gebied van gel-loodzuuraccu's zijn EnerSys (met het Sonnenschein-merk) en Victron Energy gevestigde namen in respectievelijk Amerikaanse/Duitse en Nederlandse markt. Bij lithium-polymeerbatterijen voor consumentenelektronica zijn Aziatische producenten als Amperex Technology (ATL) en Samsung SDI toonaangevend.
In het onderzoek naar halfvaste en gel-achtige elektrolyten voor elektrische voertuigen zijn vooral Aziatische en Amerikaanse spelers actief: het Chinese CATL en WeLion, het Zuid-Koreaanse Samsung SDI en LG Energy Solution, het Japanse Panasonic, en de Amerikaanse start-up Factorial Energy. Ook het Taiwanese ProLogium en het Amerikaanse Solid Power richten zich op verwante hybride technologieën. Grote autofabrikanten als Mercedes-Benz, Stellantis, Toyota en het Chinese NIO financieren of testen deze technologie, vaak in samenwerkingsverbanden met batterijbedrijven. Daarnaast doen universiteiten en nationale onderzoeksinstituten in de Verenigde Staten, Zuid-Korea, Japan, China en Europa fundamenteel onderzoek naar betere polymeren en grensvlakken, met steun van overheidsprogramma's gericht op batterij-innovatie voor de energietransitie.