Telefoons, laptops, elektrische auto’s – batterijen zijn overal. En om aan de verwachtingen van de hedendaagse consument te voldoen, worden deze batterijen steeds lichter, krachtiger en ontworpen om langer mee te gaan.
Momenteel is de kerntechnologie voor deze toepassingen lithium-ion batterijen. Maar de technologie is duur en bevat een ontvlambare vloeistof, die een gevaar voor de veiligheid kan vormen, wanneer de batterij verkeerd wordt gebruikt.
Om te voldoen aan de groeiende vraag uit opkomende markten (elektrische auto’s en opslag van hernieuwbare energie), hebben onderzoekers van Empa, de Zwitserse federale laboratoria voor materiaalkunde en -technologie en de universiteit van Genève (UNIGE) een nieuw prototype van een batterij ontworpen: bekend als “volledig solid-state”, deze batterij heeft het potentieel om meer energie op te slaan met behoud van hoge veiligheids- en betrouwbaarheidsniveaus.
Verder is de batterij gebaseerd op natrium, een goedkoop alternatief voor lithium. Lees meer over het onderzoek in het tijdschrift Energy and Environmental Science.
Om een batterij te laten werken, moet deze de volgende drie belangrijke componenten hebben: een anode (de negatieve pool), een kathode (de positieve pool) en een elektrolyt. De meeste batterijen die tegenwoordig in onze elektronische apparatuur worden gebruikt, zijn gebaseerd op lithiumionen.
Wanneer de batterij wordt opgeladen, verlaten de lithiumionen de kathode en gaan ze naar de anode. Om te voorkomen dat lithiumdeeltjes zich vormen – een soort microscopische stalagmiet die kortsluiting in de batterij kan veroorzaken en brand kan veroorzaken – bestaat de anode in commerciële batterijen uit grafiet in plaats van metaalhoudend lithium, hoewel dit ultralichte metaal de hoeveelheid energie zou verhogen dat kan worden opgeslagen.
De onderzoekers van Empa en UNIGE concentreerden zich op de voordelen van een “solide” batterij om het hoofd te bieden aan de verhoogde vraag vanuit opkomende markten en om batterijen te maken met nog betere prestaties: sneller opladen samen met een verhoogde opslagcapaciteit en verbeterde veiligheid.
Hun batterij gebruikt een vaste in plaats van een vloeibare elektrolyt die het gebruik van een metalen anode mogelijk maakt door de vorming van dendrieten te blokkeren, waardoor het mogelijk is meer energie op te slaan en tegelijkertijd de veiligheid te garanderen.
Een niet-ontvlambare vaste natriumbatterij
“Maar we moesten nog steeds een geschikte vaste geleider vinden die niet alleen niet-giftig was, maar ook chemisch en thermisch stabiel was, en waardoor het natrium gemakkelijk tussen de anode en de kathode kon bewegen.”
De onderzoekers ontdekten dat een op borium gebaseerde stof, een closoboraan, de natriumionen vrij liet circuleren. Aangezien het closobillan een anorganische geleider is, wordt bovendien het risico weggenomen dat de batterij in brand vliegt tijdens het opladen. Het is een materiaal, met andere woorden, met tal van veelbelovende eigenschappen.
“De moeilijkheid was het leggen van nauw contact tussen de drie lagen van de batterij: de anode, bestaande uit vast metallisch natrium, de kathode, een gemengd natriumchroomoxide en de elektrolyt.”
De onderzoekers losten een deel van de batterijelektrolyt op in een oplosmiddel voordat het natriumchroomoxidepoeder werd toegevoegd. Nadat het oplosmiddel was verdampt, stapelden zij het kathodepoedercomposiet met de elektrolyt en de anode op elkaar, waarbij de verschillende lagen werden gecomprimeerd om de batterij te vormen.
“De elektrochemische stabiliteit van de elektrolyt die we hier gebruiken, is bestand tegen drie volt, terwijl veel vaste elektrolyten die eerder werden onderzocht, beschadigd zijn op hetzelfde voltage.”
De wetenschappers testten de batterij ook met meer dan 250 laad- en ontlaadcycli, waarna 85% van de energiecapaciteit nog steeds functioneel was. “Maar het heeft 1200 cycli nodig voordat de accu op de markt kan worden gebracht”, zeggen de onderzoekers.
“Bovendien moeten we de batterij nog steeds op kamertemperatuur testen, zodat we kunnen bevestigen of dendrieten zich vormen of niet, terwijl de spanning nog verder toeneemt.” Onze experimenten zijn nog aan de gang.”