Een gemiddelde elektrische auto met volledig opgeladen accu kan nog niet de helft van de afstand afleggen als een traditionele benzine auto op een volle tank. Willen we dat elektrische auto's beter presteren, dan zal er een nieuwe generatie batterijen moeten komen. Tegen die achtergrond zetten Delftse onderzoekers nu een belangrijke stap richting lithiumbatterijen met een twee tot drie keer hogere energiedichtheid.
De Delftse onderzoekers hebben een elektrolyt gemaakt dat goed samengaat met een anode gemaakt van lithiummetaal. Dit wordt gezien als de heilige graal onder de anodes, dankzij de grote opslagcapaciteit. De onderzoekers presenteerden hun resultaten in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications.
Lithiumionen opgeslagen
De meest gebruikte batterij is nog steeds de lithiumbatterij, bestaande uit twee elektroden (de anode en de kathode) en een elektrolyt met lithiumionen als ladingdragers. In de batterij zitten de lithiumionen opgeslagen in de anode; tijdens het gebruik bewegen ze zich naar de kathode. Hoe meer ionen, des te langer de batterij stroom geeft.
Dit batterijtype zit echter tegen zijn limiet aan en dat zit hem voornamelijk in die opslag van de ionen in de anode. De anode is gemaakt van grafiet en kan slechts een beperkte hoeveelheid ionen opslaan.
‘Willen we de opslag van het aantal lithiumionen tot het maximale vergroten, dan is een anode van lithiummetaal de heilige graal’, zegt hoofdonderzoeker Marnix Wagemaker. ‘Daar kunnen we in theorie zeker de meeste lithiumionen in kwijt.’
Beschermlaag
Het probleem is echter dat het lithiummetaal zo reactief is, dat het binnen de kortste keren de elektrolyt kapot maakt. ‘Het lithiummetaal reageert met de elektrolyt, waardoor het kapot gaat en zijn functie van het geleiden van lithiumionen verliest’, legt Wagemaker uit.
Om dit te omzeilen, bedachten de onderzoekers een nieuwe elektrolyt die is gebaseerd op een amide, een molecuul met een specifieke binding aan een stikstofatoom. Het elektrolyt reageert nog steeds met het lithiummetaal. Maar daarbij gebeurt iets bijzonders. De laag vaste stof op de anode, afkomstig van de reactie van de elektrolyt met het metaal, vormt een beschermlaag waardoor het lithiummetaal nauwelijks meer reageert met het elektrolyt.
‘Er ontstaat nu een laag die het elektrolyt beschermt. En ondertussen laat deze laag nog steeds ionen door zodat de batterij blijft werken’, zegt Wagemaker. ‘Uiteindelijk zal de elektrolyt nog steeds vergaan, maar nu hebben we dat proces flink vertraagd.’
Theoretische voorspelling
Dat de onderzoekers een op een amide gebaseerde elektrolyt kozen, was geen toeval. ‘We wisten al dat amides waarschijnlijk een reactie zouden aangaan met het metaal en er daardoor een beschermende laag zou ontstaan. Maar het was nog de vraag hoe de elektrolyt er verder uit zou moeten zien’, zegt Wagemaker. Daarvoor verrichtten de onderzoekers zelf eerst theoretische berekeningen.
Vervolgens testten ze hun theoretische voorspelling op het Reactor Instituut Delft. ‘Het lithium valt het elektrolyt op atomair niveau aan', zegt Wagemaker. 'Deze reactie is experimenteel dus niet makkelijk te volgen.' Bij het Reactor Instituut Delft beschikten ze echter over bijzondere wetenschappelijke instrumenten, zoals voor Neutronen Diepte Profilering. Met deze techniek konden de onderzoekers met behulp van neutronen de ionen in het elektrolyt direct volgen en zien hoe de gevormde laag op de anode de ionen beschermde.
Slechts honderd keer opladen
Het is nog een lange weg om deze nieuwe generatie lithiumbatterijen op de markt te brengen, de levensduur is nog niet lang genoeg. ‘Met deze elektrolyt kunnen we enkele honderden keren laden en ontladen’, zegt Wagemaker. ‘We moeten deze elektrolyt zien te optimaliseren om dit naar duizenden laad- en ontlaadcycli te brengen.' Pas dan kom je tot een batterij in je telefoon of elektrische auto die jaren meegaat.
Foto: Marnix Wagemaker
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.