Zullen lithium-ionbatterijen auto's aandrijven?

Afbeeldingengalerij: hybride auto's De Chevrolet Volt, een plug-in hybride die is ontworpen om tot 65 kilometer te rijden op een lithium-ionbatterij. Bekijk meer foto's van hybride auto's. Alex Wong / Getty Images

Een ontwikkeling naar hybride en elektrische auto's lijkt een natuurlijke stap in de evolutie van autotechnologie. Analisten voorspellen niet snel een daling van de olie- en ga-soline-prijzen, waardoor autofabrikanten in feite in een hogere versnelling worden geschakeld om de volgende beste manier te vinden om voertuigen aan te drijven. Als de recente conceptauto's die door grote autofabrikanten zijn onthuld, nauwkeurige voorspellers zijn, Lithium-ion batterijen (Li-ion) misschien wel die magische kogel.

Neem bijvoorbeeld de Chevrolet Volt. Dit is de plug-in hybride conceptauto van General Motors die is ontworpen om 64,3 kilometer lang te rijden, volledig op Li-ion-batterijen. Daarna neemt een kleine gasmotor het over voor nog eens 600 mijl (965 kilometer). Dat betekent dat veel mensen hun dagelijkse woon-werkverkeer kunnen afleggen zonder een druppel gas te verbranden. Bovendien is het bedrijf van plan om ze tegen 2010 massaal uit te zetten.

U kunt sommige lithium-ionbatterijen opladen door de auto op een stopcontact aan te sluiten. VisionsofAmerica / Joe Sohm / Getty Images

En Chevrolet is niet de enige in de Li-ion-trend. Jeep, Cadillac, Dodge, Land Rover, Chrysler en Saturn hebben allemaal previews van conceptauto's uit 2008 met Li-ion-accu's voor groener rijden [bron: Mahoney].

Waarom vervaagt dit in de eerste plaats over Li-ion-batterijen? De Toyota Prius en twee nieuwe hybrides die het bedrijf in juni 2008 onthulde, gebruiken een nikkel-metaal-hydridebatterij. Volgens de meest recente EPA-normen krijgt de Prius een gecombineerde 46 mijl per gallon - om nog maar te zwijgen van het feit dat hij als warme broodjes is verkocht. [bron: fueleconomy.gov].

Maar in energietermen pakken Li-ion-batterijen gewoon een krachtigere slag uit. Li-ionbatterijen slaan meer energie op in kleinere ruimtes dan de meer traditionele loodzuur- en nikkelmetaalhydride-batterijen. Lithium heeft de meeste energiedichtheid en elektrochemische potentie van alle metalen, wat het dat uithoudingsvermogen geeft [bron: Buchmann]. De nikkel-metaal-hydridebatterijen in hybrides op de weg zijn ook zwaar, wat hun potentieel beperkt, terwijl Li-ion-batterijen de snelheid kunnen verhogen zonder de auto zwaar te maken. Vanwege deze eigenschap vindt u kleinere versies ervan in veel consumentenelektronicaproducten, zoals laptops, mobiele telefoons en iPods.

Maar er zijn een paar hobbels op de weg voor Li-ion-batterijen om de benzine van morgen te worden, namelijk veiligheid, kosten en een lange levensduur. We zullen de veiligheidsproblemen op de volgende pagina bekijken.

-

Lithium-ionbatterijen en -cellen zijn er in alle soorten en maten, maar ze lijken allemaal op elkaar. Bekijk hoe de pakken en cellen er aan de binnenkant uitzien.

Weet je nog dat laptops in 2006 vlam vatten? Het was de lithium-ionbatterij.

Willekeurige explosies door oververhitting waren geen wijdverbreid probleem, maar niettemin moest Sony, fabrikant van lithium-ionbatterijen, die in 1991 met de eerste op de markt gebrachte Li-ion-batterij uitkwam, meer dan 6 miljoen computers terugroepen [bron: Lamb ].

Lithium-ionbatterijen en -cellen zijn er in alle soorten en maten, maar ze lijken allemaal op elkaar. Bekijk hoe de pakken en cellen er aan de binnenkant uitzien.

In de paar jaar sindsdien heeft de Li-ion-batterij zijn reputatie op het gebied van veiligheid niet volledig hersteld. Nu kun je zien waarom sommige mensen een beetje onrustig worden als je het in een auto plaatst.

Waarom is er een kans op een explosie? Li-ionbatterijen werken door de positieve en negatieve kanten te scheiden door een dunne laag, een genaamd elektrolyt. De elektrolyt is geperforeerd om de lithiumionen van de ene kant van de kamer naar de andere te laten passeren, waardoor een stroom wordt opgewekt. Kleine stukjes metaal die het resultaat zijn van het fabricageproces, kunnen mogelijk vast komen te zitten in die perforaties, waardoor de ionen niet vrij kunnen stromen. Druk en warmte kunnen zich dan opbouwen, waardoor een explosie ontstaat. Ook kan het te snel laten bewegen van de ionen tot oververhitting leiden.

Dus hoe werkt de volledig elektrische Tesla Roadster lukt het om 6.831 Li-ion-batterijen onder de motorkap te stoppen zonder het risico te lopen dat het een grote uitbarsting loopt? Het energieopslagsysteem van de Tesla dat de auto aandrijft, is uitgerust met een koelsysteem, dat ervoor zorgt dat de accu's niet oververhit raken. Het regelt ook de snelheid van de ionenstroom om te voorkomen dat ze te snel opnieuw worden opgeladen of leeglopen.

Aangezien autobedrijven en wetenschappers het brede potentieel van Li-ion-batterijen beseffen, hebben ze tijd en geld gestoken in het vinden van manieren om eventuele veiligheidsrisico's te verminderen. Bijvoorbeeld, nanotechnologie, de studie van atomen en nanostructuren kan die gevaarlijke explosies mogelijk voorkomen. Nieuwe nanomaterialen, zoals nanofosfaat, zijn niet vatbaar voor kortsluiting zoals grafiet, de traditionele Li-ion-elektrolyt [bron: Peter].

En over tijd en geld gesproken, voordat Li-ion-batterijen hun grote intrede doen in de autowereld van consumenten, moeten ze goedkoper en langer meegaan. Lees waarom en hoe op de volgende pagina.

Elektrische auto's van weleer

De huidige drang naar elektrische auto's is meer een opwekking dan een revolutie. In feite waren elektrische rijtuigen er in het begin van de 19e eeuw, lang vóór de verbrandingsmotor. In onze tijd kwamen zowel Toyota als General Motors eind jaren '90 met elektrische automodellen die ze uiteindelijk uit de productie haalden.

GM EV-1: General Motors heeft in 1996 een klein aantal van deze elektrische sedans uitgebracht, maar alleen voor lease. Het trok alle modellen in 2003 na een gerapporteerde $ 1 miljard aan ontwikkeling [bron: CBS News]. TIME Magazine noemde het ook een van de "50 slechtste auto's aller tijden" vanwege het beperkte aanbod en de hoge productiekosten [bron: TIME].

Toyota RAV4-EV: De elektrische versie van de vertrouwde RAV SUV. Net als de EV-1 stopte Toyota met het maken van dit model in 2003. Volgens het bedrijf stopte het de auto vanwege de trage verkoop en de onpraktischheid van zijn energie-verslindende batterij die meer kost om te vervangen dan het hele voertuig [bron: Toyota].

De gelikte Tesla verkoopt voor meer dan $ 100.000, gedeeltelijk vanwege de hoge prijzen van lithium-ionbatterijen. Mike Gaustella / WireImage / Getty Images

De Tesla Roadster kan het equivalent van 256 mijl per gallon gaan. Sluit hem gewoon 's nachts aan en u kunt tot wel 250 mijl (402 kilometer) afleggen zonder te stoppen bij het benzinestation. Maar er is een addertje onder het gras: een model uit 2009 is te koop voor meer dan $ 100.000.

Een deel van die forse prijs is het gestroomlijnde ontwerp en de voorzieningen van de sportwagen en het vermogen om in minder dan vier seconden van nul naar 100 kilometer per uur te gaan - een acceleratie die tot de best presterende benzinesportwagens behoort. Maar die kracht is niet goedkoop. Li-ionbatterijen zijn zelfs ongeveer vier tot vijf keer duurder dan nikkel-metaalhydride-batterijen [bron: Popely]. Aangezien de auto-compatibele pakketten elk tussen de $ 10.000 en $ 15.000 kunnen kosten, zal het vinden van een goedkoper alternatief een grote hindernis zijn voor autobedrijven die ze op de markt willen brengen [bron: Popely].

Er is ook een probleem met de levensduur van de batterij. Net als de AA-batterijen die u in de afstandsbediening van uw tv stopt, gaan Li-ion-batterijen uiteindelijk dood. Zelfs als u ze niet gebruikt, zullen ze beginnen te verslechteren zodra ze zijn gemaakt. Je kunt ze opladen, maar slechts een beperkt aantal keren. Het is alsof je probeert een kan met water te vullen met een klein gaatje dat bij elk gebruik groter en groter wordt.

We meten de levensduur van de batterij in de levenscyclus, of het aantal keren dat u hem kunt leegmaken, opladen en opnieuw kunt gebruiken. Met Li-ion-batterijen, zal het starten van een 100 procent volledig opgeladen batterij u een langere individuele levensduur geven, maar zal het totale aantal cycli dat u eruit haalt verminderen. Om die reden staat de Tesla Roadster je niet toe om meer dan 95 procent van het oorspronkelijke vermogen op te laden of te laten leeglopen tot minder dan 2 procent [bron: Eberhard en Straubel]. Het bedrijf projecteert ook dat het batterijpakket 160.000 kilometer of vijf jaar meegaat. Op dat moment zou u de batterij moeten vervangen.

Net als bij het veiligheidsprobleem zijn onderzoekers op zoek naar een duurzamer lithiumalternatief. En nogmaals, nanotechnologie lijkt voorop te lopen in de mogelijke oplossingen. Eén bedrijf, Altair Nanotechnologies, kondigde in 2006 aan dat het een nieuw materiaal had gevonden dat Li-ion-batterijen veel langer meegaat en sneller oplaadt voor dezelfde prijs, genaamd lithiumtitanaat [bron: Bullis]. Het Canadese autobedrijf Phoenix Motorcars gebruikt lithiumtitanaatbatterijen in zijn lijn van elektrische auto's met een bereik van meer dan 100 kilometer.

Toshiba heeft in eerste instantie ook een snelladende Li-ion-accu voor fietsen en bouwvoertuigen uitgebracht die het uiteindelijk in auto's wil testen [bron: MSNBC]. In juni 2008 maakte Toyota ook de plannen bekend om de krachten te bundelen met het bedrijf dat zijn huidige hybride batterijen produceert om tegen 2009 Li-ion-batterijen te ontwikkelen [bron: Kim].

Nu er zoveel energie in de ontwikkeling van Li-ion-batterijen gaat, is de kans groot dat ze in de nabije toekomst onze auto's van brandstof kunnen voorzien. Bezoek de links op de volgende pagina voor meer informatie over de auto's van morgen en aanverwante informatie.

-

gerelateerde artikelen

• Quiz Corner: Battery Quiz
• Hoe elektrische auto's werken
• Hoe brandstofcellen werken
• Hoe hybride auto's werken
• Hoe de slimme auto werkt
• Hoe de Aptera Hybrid werkt
• Hoe de iQ Car werkt
• Hoe gasprijzen werken

Meer geweldige links

• FuelEconomy.gov
• Chevrolet Volt
• Tesla Motors

Bronnen

• Buchmann, Isidor. "Is lithium-ion de ideale batterij?" Batterij Universiteit. Bijgewerkt november 2006. (26 juni 2008)
• Bullis, Kevin. "De lithium-ion auto." Technology recensie. MIT. 24 maart 2006. (26 juni 2008) http://www.technologyreview.com/Biztech/16624/page1/
• Cotta, Rick. "Hybride batterijen: niet slechter voor slijtage?" Consumentengids Auto. (1 juli 2008) https: //consumerguideauto..com/hybrid-batteries-none-the-worse-for-wear-cga.htm
• Eberhard, Martin en Straubel, JB. "Een beetje over batterijen." Tesla Motors. 30 november 2006. (26 juni 2008) http://www.teslamotors.com/blog2/?p=39
• Hall, Kevin G. "Hoge olieprijzen zorgen voor brandstofontwikkeling van nieuwe hybride batterijen." McClatchy-kranten. 8 juni 2008. (26 juni 2008) http://www.mcclatchydc.com/226/story/39869.html
• Kim, Chang-Ran. "Toyota begint in 2009 met de productie van lithium-ionbatterijen." 11 juni 2008. (26 juni 2008) http://www.boston.com/news/world/asia/articles/2008/ 06/11 / toyota_to_start_lithium_ion_battery_output_in_2009 /
• Lamb, Gregory M. "Zoeken naar een betere batterij blijft doorgaan." Christian Science Monitor. 18 september 2006. (26 juni 2008) http://www.csmonitor.com/2006/0918/p13s01-stct.html
• LaReau, Jamie. "GM's Lutz praat over lithium-ionbatterijen, auto's en Toyota." Automotive Nieuws. 19 november 2007.
• Mahoney, Patrick G. "Conceptauto's van een andere kleur ... Groen." Machine ontwerp. 10 april 2008. (26 juni 2008)
• MSNBC-personeel. "Doorbraakbatterij voor elektrische auto's?" MSNBC. 13 december 2007. (26 juni 2008) http://www.msnbc.msn.com/id/22240865/
• Peter, Tom A. "Battery Tech begint high-tech in te halen." Christian Science Monitor. 15 maart 2007. (26 juni 2008) http://www.csmonitor.com/2007/0315/p14s01-stct.html
• Popely, Rick. "Autorace op batterijen is begonnen: ondanks de huidige kosten en bezorgdheid over de veiligheid, zien autofabrikanten plug-ins en hybrides als remedie tegen toekomstige benzine van $ 5 per gallon." McClatchy - Tribune Business News. 18 juni 2008. (26 juni 2008) http://www.chicagotribune.com/business/chi-wed-car-batteries_06-17jun18,0,4936123.story