Snelle, veilige en grotere batterijopslag is nodig voor een succesvolle energietransitie. Bijvoorbeeld om overschotten aan zonne- en windenergie op te kunnen slaan om ze later te kunnen gebruiken. Er is alleen wel een probleem: de huidige generatie batterijen zit al aan de maximale opslagcapaciteit. De uitweg is batterijen ontwikkelen op basis van andere materialen. Tim Alders onderzocht zo’n veelbelovend materiaal en ontwikkelde direct ook een breed inzetbare methode om te bepalen waarom materialen wel of niet goed werken in een batterij. Zijn onderzoek voor zijn master Applied Physics leverde hem de titel Best Graduate van de faculteit Technische Natuurwetenschappen op.
Tim Alders is 26 jaar en heeft inmiddels drie master-titels behaald: twee op het gebied van natuurkunde en één op het gebied van psychologie. ‘Ik heb me altijd gezegend gevoeld dat ik makkelijk kan leren. Ik zie het echt als een voorrecht. Mijn ouders, die altijd veel vrijwilligerswerk hebben gedaan, gaven me mee er iets goeds mee te doen. Dat motiveerde me: ik gaf bijvoorbeeld op de middelbare school al veel bijles. Tijdens het eerste jaar van mijn studie natuurkunde knaagde het gevoel aan me dat ik iets wilde betekenen voor de wereld. Ik zat op zich helemaal op mijn plek, maar miste de menselijke kant. Na een jaar ben ik er daarom de studie psychologie bij gaan doen (met als master Economic and Consumer Psychology) en startte ik met een bijbaan als examentrainer.’
Kruispunt
Die balans beviel hem goed, maar na het behalen van die twee bachelors-studies stond hij op een kruispunt: wat nu? ‘Tijdens een minor die ik heb gevolgd in Canada was ik al erg onder de indruk geraakt van de overweldigende natuur die je daar hebt. Het besef “we moeten hier veel zorgvuldiger mee omgaan” drong toen voor het eerst tot me door. Dat gevoel kwam sterk terug toen ik de zomer na het afronden van mijn twee eerste bachelors na drie weken rondtrekken en wildkamperen in Finland, in de bus terug naar het vliegveld reed. Ik besloot dat ik iets wilde bijdragen aan de energietransitie en dacht direct aan het verbeteren van batterij-opslag. Daar had ik al veel over gelezen en ik wist dat hierin nog veel winst te behalen was. De combinatie van de masters Sustainable Energy Technologies en Applied Physics leek me de beste manier om hierin iets te betekenen.’
Ik besloot dat ik iets wilde bijdragen aan de energietransitie en dacht direct aan het verbeteren van batterij-opslag.
Tim Alders
Best Graduate van de faculteit Technische Natuurwetenschappen
Onontdekte mogelijkheden
Via zijn professor, Marnix Wagemaker, kwam Tim in contact met postdoc Theo Famprikis. Die deed op dat moment al onderzoek naar het gebruik van alternatieve materialen in batterijen om een grotere opslagcapaciteit te verkrijgen. Tim verduidelijkt: ‘De meeste batterijen hebben als basis lithium, omdat dit materiaal heel erg licht is en dus geschikt is voor relatief kleine batterijen. Maar als het gaat om batterijen waarin je duurzame energie grootschalig wilt opslaan, is het gewicht van een batterij een stuk minder belangrijk. Veel energie snel en veilig kunnen opslaan zijn dan veel belangrijkere eisen. Met dat in je achterhoofd is er een wereld aan onontdekte mogelijkheden. Je kunt de materialen die in een batterij een chemische reactie veroorzaken vervangen. Maar ook de geleidende materialen: de elektrolyten die de positieve deeltjes in een batterij verplaatsen.’ Tim besloot uit die berg van opties het elektrolyt Na3PnS4 uit te kiezen voor nader onderzoek. ‘Ik koos specifiek dit elektrolyt omdat de basis hiervan natrium is: een metaal dat én veel goedkoper is dan lithium én veel makkelijker verkrijgbaar is. Het zit bijvoorbeeld ook in keukenzout.’
Als het gaat om batterijen waarin je duurzame energie grootschalig wilt opslaan, is het gewicht van een batterij een stuk minder belangrijk. Met dat in je achterhoofd is er een wereld aan onontdekte mogelijkheden.
Hoe werkt een batterij eigenlijk?
Om beter te begrijpen wat hij precies onderzocht, legt Tim eerst uit hoe een batterij werkt. ‘Alle batterijen werken in principe hetzelfde. Je hebt een plus- en een min-kant en buiten de batterij om een verbindend stukje metaal dat ervoor zorgt dat de stroom naar het apparaat gaat dat je wilt gebruiken. Dat gebeurt als de batterij aangesloten is, omdat dan binnenin de batterij een chemische reactie plaatsvindt waarbij positief geladen deeltjes (ionen) en negatief geladen deeltjes (elektronen) ontstaan. De ionen gaan via de elektrolyt richting de plus-kant en de elektronen gaan via het aangesloten apparaat richting de plus-kant. Door de beweging van de elektronen door je apparaat krijg je stroom. Kies je voor een elektrolyt op basis van een vaste stof, dan gebeurt er nét iets anders. De ionen verplaatsen zich dan niet via een vloeistof, maar via een kristalrooster. Bijzonder is, dat die verplaatsing sneller kan gaan dan in een vloeistof mogelijk is. Dat inzicht is belangrijk, omdat een goede geleiding een van de factoren is die bijdragen aan snellere en betere batterij-opslag.’
TU Delft student aan het werk in het batterijenlab
Snelle geleider
En wat onderzocht Tim dan precies? ‘ Ik onderzocht welke variant van Na3PnS4 – dat zijn Na3SbS4, Na3AsS4 en Na3PS4 – het snelst ionen verplaatst en waarom. Ik ontdekte onder meer dat de variant Na3SbS4 dit het best doet, omdat de binding in deze stof met natrium zwakker is dan de in de andere varianten. Ook ontwikkelde ik een simulatiemethode waarmee andere onderzoekers kunnen vaststellen waarom materialen in brede zin in batterijen wel of niet goed ionen geleiden.’ Beide inzichten zijn belangrijk, maar op de simulatiemethode die hij ontwikkelde is hij het meest trots. ‘Hiermee help ik andere onderzoekers te bepalen welke materialen het meest geschikt zijn voor de batterij van de toekomst.’
Hiermee help ik andere onderzoekers te bepalen welke materialen het meest geschikt zijn voor de batterij van de toekomst
Tim Alders
Best Graduate van de faculteit Technische Natuurwetenschappen
Balans
De examencommissie die Tim nomineerde als Best Graduate van de faculteit Technische Natuurwetenschappen is niet alleen lovend over het diepgaande werk dat hij afleverde en de manier waarop hij een groot probleem opdeelde in behapbare deelvragen. Ze zijn ook onder de indruk van zijn positieve houding en sterke sociale vaardigheden. Wat vindt hij er zelf van om Best Graduate van zijn faculteit te zijn? ‘De afgelopen drie jaar waren zwaar en intens, omdat zowel mijn vader als moeder ernstig ziek waren. Ik heb echt een balans moeten vinden tussen proberen alles goed te doen qua studie, er voor mijn ouders te zijn en mezelf niet te vergeten. Deze prijs is een bevestiging dat je niet hoeft te vergeten wat echt belangrijk is om iets gaafs te bereiken.’
Toekomst
Tim werkt inmiddels sinds een paar maanden bij netbeheerder Stedin als Toekomstmaker. Binnen dit young professional-programma werkt hij elk half jaar aan een nieuw verandertraject. ‘Ik wilde graag het bedrijfsleven in en toen een vriend me tipte voor deze functie, was ik vrijwel direct om. Hier krijg ik de kans te doen wat ik belangrijk vind: een brug slaan tussen techniek en mens.’ Hij heeft het naar zijn zin en is voorlopig op zijn plek. ‘Al hoop ik in de toekomst nog wel ooit samen met Theo een batterij met natrium als vaste stof te ontwerpen.’
