TUE Matrix - Technische Universiteit Eindhoven

2 4
ONDERzOEK
Energieboost met
driedimensionale
batterij en silicium
Oplaadbare lithium-ionbatterijen zijn gemeengoed
geworden in de consumentenelektronica.
Ze hebben een relatief lange
levensduur en geven qua formaat en gewicht
veel energie. De prestaties kunnen
echter nog veel beter.
Binnen de groep Energy Materials en
Devices wordt gezocht naar alternatieve
vormen en materialen om een vastestofbatterij
te maken die integreerbaar is
met andere elektronica. Het eerste onderzoek
richtte zich op de vraag of silicium
als dunne film gebruikt kon worden. In
de jaren daarna heeft onderzoeker Loïc
Baggetto van de faculteit Scheikundige
Technologie als promovendus gewerkt
aan het concept. Hij verving de gebruikelijke
koolstof in de batterijen door silicium
en krikte de energie met bijna een factor
tien omhoog. Behalve silicium onderzocht
hij ook de eigenschappen van andere
M A T R i X / 3 / 2 0 1 0
anodematerialen waaronder germanium
en tin.
Bij een van zijn eerste experimenten
werd een éénkristallijnssiliciumwafer in
lithiumelektrolyt gedompeld, er werd
bedrading op aangesloten en hij werd
beladen met lithiumionen. Het resultaat:
het éénkristallijnsmateriaal ging helemaal
kapot. Oorzaak: rondom een siliciumatoom
gaan vier lithiumatomen zitten
waardoor het kristalrooster enorm uitzet.
Met deze enorme verhouding zou dus een
relatief dunne film silicium volstaan om
voldoende lithium op te nemen. Opnieuw
volgden testen, ditmaal met dunne films
silicium tussen de 50 en 500 nanometer.
Het bleek dat ze niet stuk gingen. De films
zitten als het ware gelijmd op een ondergrond
en kunnen maar naar één kant uitzetten.
Er is dus geen schade, zolang de
film dun genoeg is.
Foto: Bart van Overbeeke
Baggetto toonde tegelijkertijd het grote
verschil met grafiet aan. In vergelijking
met de koolstofachtige structuren die nu
in lithium-ionbatterijen zitten, kan silicium
bijna tien keer zoveel energie opslaan. De
enige restrictie is dat het in bulk nog niet
goed toepasbaar is, alleen in dunne film.
Maar in combinatie met de andere ontwikkelingen,
de 3D-batterij, is het prachtig
materiaal om in een vaste-stofbatterij op
te nemen.
Naast de anodematerialen testte Baggetto
diverse driedimensionale vormen. Hij vergrootte
het oppervlak met gaatjes, sleufjes
en honingraten. Honderden, wellicht
duizenden kleine proefplaatjes gingen
door zijn handen en belandden onder de
elektronenmicroscoop. Uit de proeven
bleek dat de energiecapaciteit inderdaad
toeneemt naargelang de oppervlakte groter
wordt, maar de resultaten waren nog
niet altijd optimaal. Waar dat precies aan
ligt, moet nader onderzoek uitwijzen.
OMAR: over
Stroomgeleidende plastics vinden
razendsnel toepassing in displays
en lichtgevende folies (op basis van
zogeheten OLED’s) en zonnecellen.
Maar daarmee zijn de grenzen van
deze plastics, die in potentie snel,
goedkoop en milieuvriendelijk
kunnen worden geproduceerd, nog
niet bereikt. Dr.ir. Wiebe Wagemans
onderzocht in de groep Physics of
Nanostructures de effecten van
magneetvelden op geleidende
plastics.
De weerstand voor stroomgeleiding
kan tot wel tientallen procenten veranderen
bij magneetvelden kleiner
dan een koelkastmagneet. En dat
ook nog eens gewoon bij kamertemperatuur.
Van vrijwel alle materialen
verandert de elektrische weerstand
onder invloed van magneetvelden,