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 cobalt af te komen vergeleken met de positieve elektroden in
Li-ionbatterijen, waar cobalt 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."
***
Lees meer
Op zoek naar betere Li-ion batterijen en
alternatieven<https://www.tudelft.nl/stories/2020/op-zoek-naar-betere-li-ion-batterijen-en-alternatieven/>
Paper
'Rational design of layered oxide materials for sodium-ion batteries', C. Zhao,
Q. Wang, Z. Yao, J. Wang, B. Sánchez-Lengeling, F. Ding, X. Qi, Y. Lu, X. Bai,
B. Li, H. Li, A. Aspuru-Guzik, X. Huang, C. Delmas, M. Wagemaker, L. Chen, Y.
Hu, Science
DOI: 10.1126/science.aay9972
Contact
Prof. dr. ir. Marnix Wagemaker
+31 (0)15 27 83800
M.Wagemaker@xxxxxxxxxx<mailto:M.Wagemaker@xxxxxxxxxx>
Jerwin de Graaf (persvoorlichter TU Delft)
+31 6 42 71 72 27
J.N.deGraaf@xxxxxxxxxx<mailto:J.N.deGraaf@xxxxxxxxxx>
U ontvangt dit bericht via de PWC-medialijst. U kunt zich afmelden via
http://platformwetenschapscommunicatie.nl/
Dit bericht is afkomstig van de TU Delft, Communication, Postbus 5, 2600 AA
Delft, www.tudelft.nl<http://www.tudelft.nl/>.
Attachment:
Marnix Wagemaker.jpg
Description: Marnix Wagemaker.jpg
