De batterijen zijn niet alleen veel lichter, maar laden ook veel sneller op. En dat is goed nieuws voor de toekomstige marsrover.

Op dit moment vertrouwen veel ruimtevaartuigen en rond de aarde cirkelende satellieten op zonne-energie. Het voldoet, maar ideaal is het nog niet. “Ze moeten bijvoorbeeld in staat zijn energie op te slaan voor als ze zich in de schaduw van de aarde bevinden,” benoemt onderzoeker Ramakrishna Podila. En dat gaat nog weleens fout. Zo werd te weinig zonlicht de op zonne-energie werkende marsrover Opportunity fataal toen hij in een hevige stofstorm terecht kwam. Dat moet anders kunnen, zo bedachten onderzoekers. En dus gingen ze in een nieuwe studie op zoek naar een beter alternatief.

Oplaadbare batterijen
“Oplaadbare batterijen zijn heel belangrijk voor NASA-missies,” zegt Podila in een interview tegen Scientias.nl. En in de toekomst worden die wellicht nog belangrijker. NASA heeft namelijk de ogen gericht op Mars en er liggen plannen om de rode planeet zelfs te gaan bewonen. Maar allereerst is het zaak om Mars goed te bestuderen. En daarvoor zijn rovers nodig die het landschap tot in detail in kaart kunnen brengen. Deze rovers werken op batterijen. En daar kan nog behoorlijk aan gesleuteld worden. “De Sojourner-rover beschikte over een lithium batterij van 40 ampère,” legt Podila uit. “Daarnaast waren de twee onbemande Mars Exploration Rovers uitgerust met twee lithium batterijen van 8 ampère. De zonnepanelen van de rovers waren in staat om ongeveer 900 Wattuur energie per Marsdag te produceren.”


Krachtiger en lichter
Hoewel deze rovers over lithium batterijen beschikken, bevatten deze elektroden (bijvoorbeeld grafiet) die vanwege hun kristalstructuur niet veel lading kunnen opslaan. En dat moet beter. “Krachtigere batterijen kunnen meer zonne-energie opslaan en zo rovers efficiënter van stroom voorzien,” gaat Podila verder. “Dit is heel belangrijk voor het verkennen van gebieden op Mars waar geen direct zonlicht is.” De batterijen moeten echter niet alleen krachtiger, ook is het belangrijk dat ze lichter zijn. Want hoe zwaarder een rover of satelliet is, des te meer een missie kost. “De overgang naar lichtere lithium-ionbatterijen is daarom hard nodig,” stelt Podila. En dus gingen de onderzoekers op zoek naar manieren om dit te bewerkstelligen.

Silicium
Het team koos ervoor om met silicium te werken. Het is namelijk bekend dat silicium meer energie kan opslaan dan grafietanodes in conventionele lithium-ionbatterijen. “Grafiet, het zachte en schilferige materiaal in potlood, was lange tijd een belangrijk onderdeel van lithium-ionbatterijen,” zegt Podila. Op microscopische schaal bestaat grafiet uit meerdere lagen koolstof die op elkaar zijn gestapeld. Hoewel grafiet een zeer efficiënte anode is, kan het maar weinig lithium opslaan. Daarom is er voor ruimtemissies een groot aantal op grafiet gebaseerde cellen nodig om de benodigde energie te leveren. En dit leidt tot zwaardere batterijpakketten die de ruimte in worden geslingerd. In silicium kan echter tot tien keer meer energie worden opgeslagen. Door grafiet door silicium te vervangen, kunnen we dus lichtere en veiligere batterijen maken.”

Oplossing
Maar er zijn ook uitdagingen te overbruggen. “Omdat silicium meer kan opnemen dan grafiet, wordt het volume zo’n 300 procent groter,” vertelt Podila. Anders gezegd, bij het opladen zet het materiaal uit. En dit heeft als nadeel dat het kan breken. Maar de onderzoekers bedachten een ingenieuze oplossing. “We verpakten het silicium tussen twee lagen koolstofnanobuisjes dat we ‘Bucky paper’ noemen,” legt Podila desgevraagd uit. “Deze houden de siliciumdeeltjes stevig vast en op hun plek.” Deze constructie verhoogt de stabiliteit en garandeert zo een langere levensduur. “De efficiëntie van dit papier verraste ons,” gaat Podila verder. “We hebben ook andere materialen uitgeprobeerd. Maar de op koolstofnanobuisjes gebaseerde elektroden presteerden echt boven onze verwachtingen.”


Deze dwarsdoorsnede toont de microscopische structuur van het Bucky paper met het silicium in het midden. Afbeelding: College of Science

Efficiënt
De nieuw ontwikkelde batterijen blijken heel efficiënt. Zo kunnen ze zeker 500 keer geladen en ontladen worden. “Onze batterijen zijn dus bestand tegen een 500 laadcycli zonder capaciteitsverlies,” zegt Podila. “Bovendien hebben ze een capaciteit van 1650 mAh / g. Dit betekent dat er heel weinig (zo’n ~ 5 g) van dit materiaal gebruikt hoeft te worden om 8-ampère-uurbatterijen te maken. En die kunnen weer gebruikt worden in verkenningsvoertuigen op Mars.”

Sneller opladen
Het gebruik van batterijen gemaakt van silicium verhoogt niet alleen de capaciteit. Het maakt het ook mogelijk om batterijen met een hogere stroomsterkte op te laden, wat zich vertaalt in kortere oplaadtijden. Zoals iedereen weet die ooit een keer onverhoopt wegviel in een belangrijk telefoongesprek, is de mogelijkheid om sneller een apparaat op te kunnen laden een hele gewilde functie. Dat de nieuwe batterijen in staat zijn om razendsnel op te laden, is mogelijk dankzij de nanobuisjes. Deze fungeren namelijk als een soort buffermechanisme, waardoor de batterijen tot wel vier keer sneller opladen in vergelijking met andere batterijen. Bovendien zijn de batterijen niet schadelijk voor het milieu. “Siliciumanodes zijn recyclebaar,” zegt Podila. “Ze zijn niet schadelijk voor het milieu, mits ze op de juiste manier worden gerecycled.”

De revolutionaire batterijen kunnen mogelijk in de toekomst gebruikt worden voor het aandrijven van ruimtepakken en marsrovers. Maar volgens Podila kunnen Amerikaanse satellieten binnenkort al worden uitgerust met de nieuwe batterijen. “We zijn momenteel op zoek naar industriële partners om deze technologie op de markt te brengen,” vertelt hij. “In het lab kunnen we de cellen maken. En met de juiste industriële partner kan deze technologie al binnen enkele maanden op de markt verschijnen.” Misschien dat de batterijen trouwens niet alleen bestemd zijn voor het heelal. Want mogelijk vinden ze ook een weg naar elektrische voertuigen op onze planeet, die dankzij lichtere, krachtigere en sneller oplaadbare batterijen een stuk aantrekkelijker worden.