Nieuwe productiemethode voor waterstof en razendsnel oplaadbare accu's

Een nieuwe productiemethode het mogelijk veel efficiënter waterstof te produceren. Tegelijkertijd maakt een nieuwe oplaadmethode het mogelijk accu's van elektrische auto's in slechts tien minuten op te laden tot een bereik van 320 tot 480 kilometer.

Bij de productie van waterstof wordt gebruik gemaakt van elektrolyse, een proces waarbij een elektrische stroom wordt ingezet om waterstof en zuurstof te scheiden. Indien de elektriciteit die hiervoor nodig is duurzaam wordt opgewekt met bijvoorbeeld een windmolen of zonnepaneel, kan dit proces worden uitgevoerd zonder dat hierbij CO2-uitstoot plaatsvindt. 

Bijna twee keer zoveel waterstof per millivolt

Onderzoekers van verschillende Britse, Portugese, Duitse en Hongaarse universiteiten hebben een nieuwe productiemethode ontwikkeld die het mogelijk maakt efficiënter waterstof te produceren. Door een pulserende elektrische stroom door een gelaagde katalysator te leiden zijn de onderzoekers erin geslaagd de hoeveelheid waterstof die per millivolt elektriciteit wordt geproduceerd nagenoeg te verdubbelen. 

De methode is gebaseerd op onderzoek waaruit blijkt dat elektrodes die worden bedekt met een molybdeen telluride katalysator meer waterstofgas produceren gedurende elektrolyse indien een elektrische stroom met een specifiek patroon door de katalysator wordt geleidt. Door dit patroon te optimaliseren kan de hoeveelheid energie die nodig is om waterstof te creëren met bijna 50% wisten worden teruggedrongen. 

Duurzame energie opslaan

De onderzoekers zien in hun ontdekking onder meer kansen om duurzaam opgewekte energie op te slaan en te bewaren. “Experts voorspellen dat we op korte termijn het punt bereiken waarop we meer duurzame elektriciteit produceren dan we nodig hebben. Op dit moment moet overtollige opgewekte energie echter gebruikt wordt zodra het wordt geproduceerd om te voorkomen dat deze verloren gaat. Het is dan ook van vitaal belang dat we een robuuste reeks methodes ontwikkelen om energie op te slaan voor later gebruik”, zegt hoogleraar Alexey Ganin van de School of Chemistry van de University of Glasgow. 

“Accu’s zijn een manier om dit te doen, maar waterstof is een veelbelovend alternatief. Ons onderzoek levert belangrijke nieuwe inzichten om de productie van waterstof met behulp elektrolyse effectiever en goedkoper te maken, en we kijken ernaar uit deze veelbelovende ontwikkeling verder te onderzoeken.”

Meer informatie is te vinden in het artikel dat de onderzoekers in Nature Communications hebben gepubliceerd.

Accu in tien minuten opladen

De nieuwe laadmethode voor accu’s is ontwikkeld door de Amerikaanse Penn State University. Indien traditionele lithium-ion accu’s snel worden opgeladen bij een temperatuur van minder dan 10 graden Celsius loopt hun kwaliteit achteruit. Dit komt doordat de lithium-ionen bij deze temperatuur niet gelijkmatig wordt afgegeven aan de koolstof anodes, maar met pieken. Dit proces wordt ook wel lithium plating genoemd. Lithium plating zorgt niet alleen dat de capaciteit van accucellen terugloopt, maar kan ook voor piekspanning en onveilige accu’s leiden.

Indien accu’s boven de 10 graden Celsius worden opgeladen, treedt dit proces niet op. Een eerder ontworpen accu was door de onderzoekers daarom zo ontworpen dat deze bij een temperatuur van 10 graden Celsius in 15 minuten tijd volledig kon worden opgeladen. De laadsnelheid kan worden vergroot door te laden bij een hogere temperatuur, maar deze hogere temperatuur kan de levensduur van de accu inkorten.

Snel laden zonder schade

Om het laden van lithium-ion accu’s te kunnen optimaliseren hebben Wang en zijn team daarom verder onderzoek gedaan naar de impact van warmte op accu’s. Uit hun onderzoek blijkt dat indien speciaal geprepareerde lithium-ion accu’s voor een periode van maximaal 10 minuten worden verwarmd tot een temperatuur van 60 graden Celsius en vervolgens in korte tijd worden afgekoeld, lithium plating niet optreedt en de accu geen schade oploopt. Door te laden bij 60 graden Celsius, kan de accu echter wel sneller worden opgeladen. 

De accu waarmee Wang en zijn team hebben geëxperimenteerd verwarmd zichzelf. De batterij is voorzien van een dunne laag bladkoper, waarvan één zijde is verbonden met de negatieve pool en de andere buiten de accucel is geplaatst om een derde pool te creëren. Een temperatuursensor verbonden met een schakelaar zorgt dat elektronen door het bladkoper stromen en het circuit sluiten. Dankzij warmteweerstand warmt dit folie in korte tijd op, waarna het folie de binnenzijde van de accu verwarmd. 

Bereik tot 480 kilometer in tien minuten

“We hebben gedemonstreerd een elektrisch voertuig in tien minuten op te kunnen laden tot een bereik van 320 tot 480 kilometer”, legt hoogleraar Chao-Yang Wang van de Penn State University uit. Wang is William E. Diefenderfer Chair in werktuigbouwkunde, hoogleraar chemische technologie, hoogleraar materiaalwetenschappen en directeur van het Electrochemical Engine Center bij de Penn State University. “En dit doen we terwijl we 2.500 laadcycli behouden, wat gelijk staat aan een afstand van ruim 800.000 kilometer.

Wang noemt de mogelijkheid in tien minuten een accu volledig op te halen essentieel voor de omarming van elektrische voertuigen, aangezien hiermee zorgen over het bereik van de voertuigen worden aangepakt. 

Auteur: Wouter Hoeffnagel