Delftse formule brengt nieuwe milieuvriendelijke batterij dichterbij

Onderzoekers van de Chinese Academy of Sciences en de TU Delft hebben een methode ontwikkeld om de atomaire structuur van natrium-ionbatterijen te voorspellen. Tot nu toe was dat zelfs met de snelste supercomputers onmogelijk. De vinding kan het onderzoek naar na-ionbatterijen aanzienlijk versnellen. Daardoor kan dit type batterij een serieuze techniek worden naast de populaire Li-ionbatterijen die in onze smartphones, laptops en elektrische auto’s zitten. De onderzoekers hebben hun bevindingen gepubliceerd in het gezaghebbende wetenschappelijke tijdschrift Science.

Het is geen toeval dat onze mobieltjes, laptops en elektrische auto’s allemaal lithium-ionbatterijen bevatten. Wat prestaties en energiedichtheid betreft zijn de batterijen ongeëvenaard. Toch kleven er ook nadelen aan het feit dat we zo afhankelijk zijn van één type batterij. Neem kobalt. Tot nu toe is het, ondanks veel onderzoek daarnaar, niet gelukt om zonder deze zeldzame grondstof lithium-ionbatterijen te maken. Kobalt wordt bijna uitsluitend in Congo gewonnen, onder barre omstandigheden en met grote impact op het milieu.

Lithium kan op termijn ook een problematische grondstof worden. “Op dit moment hebben we er meer dan genoeg van,” zegt TU Delft-onderzoeker Marnix Wagemaker. “Maar als we straks allemaal elektrisch rijden en een grote batterij in huis hebben voor de opslag van zonne-energie, hebben we een enorme hoeveelheid lithium nodig.” Dat kan een probleem worden, want de lithiumvoorraden zijn allesbehalve oneindig.

Keukenzout
Een batterij die tot nu toe nog maar weinig aandacht heeft gekregen, is de natrium-ionbatterij. De naam zegt het al: in plaats van lithium is dit batterijtype gebaseerd op natrium, wat onder meer in keukenzout zit. Na-ion batterijen zijn in theorie niet zo goed als Li-ionbatterijen, maar veel scheelt het niet. Wagemaker: “Op labschaal halen een energiedichtheid die maar 20 tot 30 procent lager ligt dan die van Li-ionbatterijen. Voor een mobiele telefoon of elektrische auto zijn ze dus niet zo competitief. Maar voor situaties waarin gewicht iets minder belangrijk is, bijvoorbeeld maritieme toepassingen of voertuigen die vaak geladen kunnen worden, zijn ze wel een goed alternatief.”

Ook voor stationair gebruik, bijvoorbeeld in een powerwall in huis of in een batterijpark dat wind- en zonnenergie opslaat, zouden dit soort batterijen heel geschikt zijn. Daar komt bij dat Na-ionbatterijen meer mogelijkheden geven in het gebruik van grondstoffen om betere en goedkopere positieve elektroden uit op te bouwen. Door deze veelzijdigheid is het bijvoorbeeld veel makkelijker om van kobalt af te komen vergeleken met de positieve elektroden in Li-ionbatterijen, waar kobalt niet alleen hoge kosten maar ook een ethisch probleem met zich meebrengt.

Oneindig
Ironisch genoeg is deze veelzijdigheid ook de vloek van Na-ionbatterijen. Bij Li-ionbatterijen kun je maar met een beperkt aantal grondstoffen en materiaalstructuren uit de voeten, en is het relatief duidelijk wat het beste ‘recept’ is voor een kathode. Voor Na-ionbatterijen niet. “Afhankelijk van de cocktail van elementen krijg je subtiele verschillen in de atomaire structuur van de positieve elektrode, wat grote invloed heeft op de prestaties van de batterij”, legt Wagemaker uit. “Met een handvol elementen krijg je al zoveel structuurmogelijkheden dat zelfs de snelste supercomputer niet kan voorspellen hoe de verschillende combinaties uitpakken. Daardoor verloopt de ontwikkeling van nieuwe materialen langzaam.”

Althans, dat was tot nu toe zo. Maar de Delftse onderzoekers en hun Chinese collega’s hebben een manier gevonden waarmee ze het ideale recept voor de kathode kunnen voorspellen. Zo’n kathode ziet er op atomair niveau uit als een soort sandwich: hij is opgebouwd uit verschillende laagjes. Daartussen zitten ionen. “In eerste instantie leek het erop dat de grootte van de ionen waaruit de structuur is opgebouwd bepaalt wat de atomair structuur wordt”, zegt Wagemaker. “Maar al snel bleek dat niet de enige factor te zijn: de verdeling van de elektrische lading van de ionen speelt een cruciale rol.”

Geologie
Door dat inzicht ging er bij de onderzoekers een lampje branden. De verhouding tussen de grootte van een ion en zijn lading, het zogeheten ‘ionic potential’, heeft namelijk voorspellende waarde. “In de geologie wordt deze relatie al decennialang gebruikt om te begrijpen waarom bijvoorbeeld bepaalde ijzeroxides beter oplosbaar zijn dan andere”, aldus Wagemaker. “Dat kan iets zeggen over de vorming van bepaalde aardlagen, of over andere geologische processen.” 

Het was de vraag of deze relatie ook bruikbaar zou zijn op atomaire schaal. Dat bleek het geval. De onderzoekers hebben op basis van de ionic potential een simpele formule ontwikkeld. “Met die formule kunnen we voorspellen welke structuur we krijgen bij welke verhouding van een selectie grondstoffen”, zegt Wagemaker. “De formule gidst ons zo door de enorme hoeveelheid mogelijkheden naar de elektrodematerialen die de beste prestaties kunnen leveren.”

In opkomst
De onderzoekers hebben hun formule ook getest door nieuwe materialen te ontwerpen. “We hebben geprobeerd om een kathode te maken met een zo hoog mogelijke energiedichtheid, en één die je heel snel kunt opladen”, vertelt Wagemaker. “In beide gevallen is dat gelukt. Qua energiedichtheid zaten we al meteen aan de bovengrens van wat mogelijk is. Het mooie vind ik dat zo’n simpele formule, gebaseerd op een heel oud idee uit de geologie,  zo nauwkeurig voorspellingen kan doen op de atomaire schaal.”

Dit onderzoek was gericht op één onderdeel van een batterij: de kathode. Een logische volgende stap is om ook te kijken naar andere typen structuren, zowel in elektrodes en elektrolyten voor diverse soorten batterijen. Kan deze nieuwe benadering daar ook een rol in spelen? Marnix Wagemaker denkt van wel. “We gaan dat de komende tijd onderzoeken. Met dit onderzoek hopen we de ontwikkeling van materialen voor volgende generaties batterijen te versnellen.”