Onderzoekers zetten belangrijke stap richting nieuwe generatie batterijen

TU Delft-onderzoekers hebben, in samenwerking met onderzoekers van Tsinghua University, een belangrijke stap gezet richting een nieuw soort Li-ionbatterijen, de batterijen die onder meer in onze smartphones, laptops en elektrische auto’s zitten. Het lukte ze voor het eerst om een elektrolyt te maken dat goed samengaat met een anode gemaakt van lithiummetaal. Lithiummetaal is voor anodes de heilige graal. In theorie kun je met dit materiaal een twee tot drie keer hogere energiedichtheid halen dan met de huidige batterijen.

Li-ionbatterijen bestaan in de basis uit drie componenten: twee elektroden, de anode en de kathode, plus een ‘elektrolyt’. Dat is een chemische substantie waarin lithiumionen van de ene naar de andere kant stromen. Een klassiek probleem in batterijenland is dat het elektrolyt bij het laden en ontladen van Li-ionbatterijen langzaam maar zeker kapotgaat. Bij dat proces hopen zich op het grensvlak van het elektrolyt en de elektroden afvalproducten op, die er na verloop van tijd voor zorgen dat je bijvoorbeeld je mobiele telefoon meerdere keren per dag moet opladen.

Heilige graal
Momenteel worden in commerciële batterijen vooral carbonaten als elektrolyt gebruikt. Dat zijn chemische verbindingen met koolstof en zuurstof. Voor de huidige Li-ionbatterijen werken die prima. Het elektrolyt gaat maar heel langzaam kapot, waardoor Li-ionbatterijen jaren meegaan. “Maar als je de energiedichtheid van batterijen wilt vergroten, moet je hele andere materialen gebruiken”, zegt onderzoeksleider Marnix Wagemaker. Voor anoden is lithiummetaal de heilige graal. Daarin kun je namelijk veel meer lithiumionen opslaan dan in de anodes van nu, die gemaakt zijn van grafiet, het materiaal dat ook in een potloodpunt zit. Meer lithiumionen betekent een hogere energiedichtheid, en dus een batterij die langer meegaat voordat hij leeg is.

Een batterij met een anode van lithiummetaal heeft in theorie een opslagcapaciteit voor lithium die tot wel 10 keer hoger ligt dan die van onze huidige batterijen. Het probleem is dat er geen goede elektrolyt is voor een batterij met een anode van lithiummetaal. De elektrolyten die op dit moment veel worden gebruikt, gaan in combinatie met een anode van lithiummetaal veel te snel kapot. Onderzoekers van de TU Delft hebben nu een elektrolyt ontwikkeld op basis van een ander type verbindingen, amiden genaamd. Dit elektrolyt werkt wél goed met een anode van lithiummetaal, en is daarom een belangrijke stap in de richting van een nieuwe generatie lithium-ionbatterijen.

Beschermende werking
Het nieuwe elektrolyt verandert niet zoveel aan het verval dat in het binnenste van batterijen plaatsvindt. “Net als alle andere elektrolyten gaat ook onze elektrolyt kapot door reacties met de elektroden”, zegt Wagemaker. “Het verschil is dat dit in onze elektrolyt juist een positief effect heeft.” De afvalstoffen die zich tussen de elektroden en het nieuwe elektrolyt vormen, hebben namelijk een beschermende werking. Er ontstaat een laagje dat ervoor zorgt dat er niet of nauwelijks meer schadelijke reacties plaatsvinden. Bovendien laat het laagje ionen uitstekend door, waardoor de batterij heel lang goed blijft werken. “Het is verval, maar dan heel gecontroleerd”, aldus Wagemaker.

Elektrolyten kunnen uit zoveel verschillende stoffen in zoveel mogelijke verhoudingen bestaan, dat het voor de onderzoekers vooral de kunst was om de juiste cocktail van chemicaliën te vinden. Het recept voor het nieuwe elektrolyt kwam tot stand door een combinatie van een geavanceerde rekenmethode, gebaseerd op de wetten van de quantummechanica, en wat Wagemaker ‘chemische intuïtie’ noemt. “We wisten dat amides waarschijnlijk een reactie zouden aangaan waardoor zich zo’n beschermende laagje zou vormen”, legt de onderzoeker uit. “Door middel van de theoretische berekeningen konden we verder voorspellen wat een goed werkende cocktail zou zijn.”

Lithium volgen
Wagemaker werkt bij het Reactor Instituut Delft, de onderzoeksreactor van de TU Delft, waar hij de beschikking heeft over een wetenschappelijk instrument dat van grote waarde is voor zijn batterijenonderzoek. Dit instrument is in staat om met behulp van neutronen de lithium-ionen in het elektrolyt in real-time te volgen. De techniek heet Neutron Depth Profiling. Wagemaker: “We konden precies zien hoe zich na verloop van tijd een beschermingslaagje de vorming van het lithium metaal positief beïnvloedde, en we zagen ook hoe dit de levensduur van de batterij verbeterde.”

De resultaten van het onderzoek van Wagemaker en zijn team zijn veelbelovend, maar er moet nog wel het één en ander gebeuren voordat er een nieuwe en betere batterij is, en voordat die op de markt kan worden gebracht. “We hebben nu interessante mogelijkheden om lithiumanoden te verbeteren, in combinatie met goed werkend elektrolyt. Maar we moeten de kathode ook onder handen nemen, anders raak je de winst die je behaald hebt weer kwijt”, legt Wagemaker uit. Ook zal er nog veel aan optimalisatie moeten worden gedaan. Maar Wagemaker is hoopvol. “Ik denk dat het binnen afzienbare tijd gaat lukken om op labschaal een batterij te maken met een twee tot drie keer hogere energiedichtheid dan onze huidige batterijen. Weliswaar nog niet met een levensduur van duizenden laad-ontlaadcycli, maar wel met honderden.”