De ideale batterij werkt niet met lithium maar met natrium
Voor veilige, krachtige batterijen gemaakt van milieuvriendelijke materalen moet lithium worden vervangen door natrium. Zwitserse wetenschappers hebben een chemische oplossing gevonden.
© UNIGE/Brighi
In de meeste elektrische auto's, mobiele telefoons, camera's en dat soort apparaten zitten lithiumbatterijen. Het nadeel is dat het elektrolyt daarin – het medium dat elektronen en positieve ladingen laat bewegen tussen de elektroden – een brandbare vloeistof is. Bovendien is lithium een schaarse grondstof, waarvan de winning ook zeer omstreden is. Deze lithiumbatterijen kunnen echter snel verleden tijd zijn. Specialisten voor kristallografie bij de Universiteit van Geneve (UNIGE) hebben namelijk een onbrandbare, vaste elektrolyt ontwikkeld, die werkt bij kamertemperatuur.
Deze elektrolyt is van natrium in plaats van lithium. In tegenstelling tot lithium is natrium in overvloed aanwezig. Het maakt ook krachtiger batterijen mogelijk. "Natrium is een goede kandidaat om lithium te vervangen, omdat het chemische en fysische eigenschappen heeft die dicht bij die van lithium liggen. Het is ook overal te vinden", legt Fabrizio Murgia van de UNIGE. De eigenschappen van deze "ideale" batterijen zijn gebaseerd op de kristallijne structuur van het elektrolyt: een hydroboraat dat bestaat uit boor en waterstof, leggen de onderzoekers uit.
Natrium en lithium liggen dicht bij elkaar in het periodiek systeem. "Het probleem is dat natrium zwaarder is dan zijn neef lithium. Dit betekent dat het moeilijker zijn weg rond de batterijelektrolyt vindt," zegt Matteo Brighi, eerste auteur van de studie hierover, die in het tijdschrift Cell Reports Physical Science werd gepubliceerd.
Daarom zouden er elektrolyten moeten worden ontwikkeld die natrium kunnen transporteren. Japanse en Amerikaanse onderzoekers hebben al hydro-boraten geïdentificeerd die goed natrium geleiden bij temperaturen van meer dan 120 graden Celsius. Op het eerste gezicht een te hoge temperatuur voor het dagelijks gebruik van batterijen.
""We zijn er echter in geslaagd om hydro-boraten als elektrolyt te gebruiken vanaf kamertemperatuur tot 250 graden Celsius zonder veiligheidsproblemen.", aldus Radovan Cerny, projectleider en hoogleraar aan het UNIGE Kristallografisch Laboratorium. "Ze zijn ook bestand tegen hogere potentiaalverschillen, wat betekent dat de batterijen meer energie kunnen opslaan."
Praktische verstoring
"In ons artikel geven we voorbeelden van structuren waarmee de hydroboraten kunnen worden geproduceerd," zegt Murgia. De structuur van de hydroboraten maakt het mogelijk maken om bollen van boor en negatief geladen waterstof te vormen. Deze bolvormige ruimtes bieden genoeg ruimte om positief geladen natriumionen door te laten. "Maar omdat de negatieve en positieve ladingen elkaar aantrekken, moesten we een verstoring in de structuur creëren om het natrium te kunnen laten bewegen", legt Brighi uit.
Volgens de onderzoekers biedt het onderzoek een "toolkit voor batterij-ontwikkelaars" en is het bedoeld om een nieuwe generatie batterijen te produceren die "stabieler en krachtiger" zijn. Op dit moment werken UNIGE en het onderzoeksinstituut EMPA aan de ontwikkeling van een 4V-natriumbatterij. "Een authentiek product, Made in Switzerland".
Foto: Dit nieuwe materiaal vormt een ongeordende maar zeer symmetrische structuur, die bewegingen van natrium mogelijk maakt die vergelijkbaar zijn met die van lithium in commerciële batterijen. © UNIGE/Brighi
Doorbraak aan bij onderzoek naar milieuvriendelijke "vloeibare" accu.
Komst van solid state batterijen duurt nog wel enkele jaren
Corona in Europa – Nieuwe virale haarden teisteren Verenigd Koninkrijk
Vraagtekens bij juistheid coronamaatregelen op basis van alleen incidentie-waarden
Quantumtechnologie: "Het is niet erg dat mensen de technologie niet snappen"
Meer efficiency en flexibiliteit binnen de maakindustrie dankzij 5G in combinatie met sensortechnologie