Onderzoekers van de Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa, met vestigingen in Zürich, St. Gallen en Thun) en de Université de Genève (Unige) hebben een prototype van een nieuwe soort natrium-vastestofbatterij ontwikkeld, die in de toekomst nog veiliger elektrische energie moet opslaan.
Batterijen zijn niet meer uit ons dagelijks leven weg te denken. Om te voldoen aan de verwachtingen van de gebruikers worden ze steeds lichter en krachtiger en gaan ze langer mee. Commercieel het meest gebruikt is momenteel de lithium-ionen-technologie. Dit type batterijen is echter nog steeds relatief duur en kan bij verkeerd gebruik een risico vormen. Tegelijkertijd groeit de vraag naar batterijen voor toepassing in elektrische auto’s of voor de opslag van duurzame energie.
Met de doelstelling tegemoet te komen aan deze behoefte hebben onderzoekers van Empa en Unige een prototype van een zogeheten vastestofbatterij ontwikkeld. Daarmee zou meer energie moeten worden opgeslagen en een hoog veiligheidsniveau en betrouwbaarheid kunnen worden gegarandeerd. Bovendien is deze batterij gebaseerd op natrium, een goedkoper alternatief voor lithium.
Opbouw van een vastestofbatterij
Een batterij bestaat uit drie fundamentele componenten: de anode (negatieve pool), de kathode (positieve pool) en de elektrolyt. De accu’s van de momenteel meest gangbare elektronische apparaten zijn gebaseerd op lithium-ionen. Bij het opladen verlaten de ionen de kathode en bewegen zich door een vloeibaar elektrolyt naar de anode
Om de vorming van lithium-dendrieten te voorkomen, bestaat bij de in de handel gangbare batterjien de anode uit grafiet en niet uit metallisch lithium, ofschoon men met dit ultralichte metaal een grotere hoeveelheid energie zou kunnen opslaan. (Lithium-dendrieten zijn een soort microscopisch kleine stalagmieten die kortsluitingen in de batterij veroorzaken en een risico op brand vormen)
De Zwitserse onderzoekers hebben hun focus op de vastestofbatterij gericht. Deze technologie heeft het in zich de toenemende vraag van groeimarkten af te dekken en gelijktijdig steeds krachtiger accu’s mogelijk te maken. Deze kunnen bovendien sneller worden opgeladen, kunnen een grotere hoeveelheid energie opnemen en meer veiligheid bieden. Het gebruik van een vastestofelektrolyt kan de vorming van dendrieten tegengaan, wat het gebruik van metallische anodes en daarmee hogere energiedichtheden mogelijk maakt.
Niet-brandbare accu met vast natrium
De onderzoekers hebben echter nog een geschikte vaste ionengeleider nodig, die chemisch en thermisch stabiel en niet toxisch is.Deze stof moet bovendien het transport van het natrium van de anode naar de kathode mogelijk maken. De onderzoekers ontdekten dat de boorhoudende stof closo-boraan (BnHn2-) het de natrium-ionen toestaat relatief vrij te circuleren. Bovendien is closo-boraan een anorganisch elektrolyt dat in vergelijking met de vloeibare elektrolyten in lithiumionen-batterijen niet brandbaar is. Het gaat dus om een materiaal met veelbelovende eigenschappen.
De moeilijkheid zit hem in het maken van een nauw contact tussen de drie componenten van de batterij: de anode uit vast metallisch natrium, de kathode uit natriumchroomoxide en het elektrolyt uit closo-boraan.
Hiertoe losten de onderzoekers een deel van het vaste elektrolyt op in een oplosmiddel en voegden vervolgens het kathodemateriaal toe. Zodra het oplosmiddel was verdampt, brachten ze dit compacte poeder met de elektrolyt aan op de anode en persten de afzonderlijke lagen samen tot een vaste batterij.
Testen en verder ontwikkelen
Vervolgens testten de wetenschappesr van Empa en Unige de batterij. De elektrochemische stabiliteit van het toegepaste elektrolyt is bestand tegen een spanning van 3 V. Veel van de vroeger onderzochte vaste elektrolyten worden bij deze waarde al ontleed.
De wetenschappers voerden 250 laad- en ontlaadcyclussen aan de accu uit, met als resultaat dat daarna nog 85% van de energiecapaciteit beschikbaar was. Voor een commercieel beschikbare batterij moeten dat 1200 cyclussen zijn. Bovendien moeten de onderzoekers de batterijen bij omgevingstemperatuur testen om te kunnen bewijzen dat zich geen dendrieten vormen. Tegelijkertijd willen ze de spanning verder verhogen. Het werk is dus nog niet gedaan.