‘Uitdagingen voor nieuwe batterijen: lagere materiaalkost, langere levensduur en betere veiligheid’

Voor de Universiteit Van Vlaanderen staat Marlies Van Bael stil bij de mogelijkheden van de lithium-ionbatterijen.

Stelt u zich eens een leven voor zonder mobiele telefoon, fotocamera, laptop, tablet… Wat al deze toestellen gemeen hebben, is dat ze hun energie halen uit een lithium-ion batterij. Zonder lithium-ion batterij geen oplaadbare schroefboormachines, robot stofzuigers of grasmaaiers, geen elektrische fietsen, en vergeet ook uw (toekomstige) elektrische wagen maar.

Een lithium-ion batterij is een herlaadbare batterij die ontlaadt (stroom levert) en oplaadt door beweging van lithium-ionen. De naam lithium komt van het Griekse ‘lithos’ dat steen betekent. Het chemisch element werd in 1817 nabij Stockholm in een mineraal ontdekt door Johann August Arfvedson en Jakob Berzelius. Niettegenstaande de zwaar klinkende naam, is lithium (afgekort Li) het derde lichtste element in de tabel van Mendeljev en zelfs het aller lichtste ‘vast’ metaal. Waterstof en helium, nummers 1 en 2, zijn beide gassen. Een lithium-atoom heeft een kern met drie positief geladen protonen (vandaar de derde plaats in het periodiek systeem), waarrond drie elektronen cirkelen die door hun negatieve lading het atoom neutraal maken. Lithium is zéér reactief: van alle elementen staat lithium het liefst het buitenste elektron af, waardoor het positief geladen lithium-ion (of Li⁺) ontstaat. Het feit dat lithium enerzijds zo klein en licht is, en anderzijds zo graag een elektron afstaat, maakt het uitermate geschikt om in een batterij te gebruiken.

In mijn college voor de Universiteit Van Vlaanderen leg ik uit hoe een lithium-ion batterij elektrische stroom levert, doordat lithium-ionen doorheen een vloeibaar ‘elektroliet’ van anode naar kathode bewegen en tegelijk elektronen doorheen een extern circuit sturen. Het feit dat dit proces ook kan worden omgekeerd, maakt de lithium-ion batterij herlaadbaar.

De lithium-ionbatterij is vandaag zodanig gepenetreerd in ons dagelijks leven dat het haast merkwaardig is dat ‘pas’ in 2019 Stanley Whittingham, John Goodenough en Akira Yoshino hiervoor de Nobelprijs voor Chemie ontvingen.

Misschien is het omdat ze niet gezamenlijk, als team, tot een doorbraakresultaat gekomen zijn dat voor een paradigmaverschuiving heeft gezorgd? Inderdaad, Whittingham, Goodenhough en Yoshino hebben elk afzonderlijk, de ene na de andere, opeenvolgende stappen gezet in de ontwikkeling van de lithium-ion batterij zoals ze nu is. In de jaren ’70, middenin de oliecrisis, rekruteerde oliegigant Exxon Stanley Whittingham (komend van Stanford University) met als opdracht eender wat te onderzoeken, zolang het maar niet met petroleum te maken had.

Vanuit een fundamentele nieuwsgierigheid naar de verandering in eigenschappen van supergeleidende materialen als je in de holtes van hun structuur kleine ionen ‘intercaleert’, kwam hij tot de verrassende ontdekking van een materiaal met een zeer hoge energiedichtheid. (Intercalatie is het nestelen van ionen of atomen tussen de lagen van de structuur van een chemische verbinding zonder dat die daardoor wezenlijk verandert. red.) Deze onverwachte vondst zette hem aan om verder onderzoek te doen naar opslag van energie in materialen: de allereerste herlaadbare lithium-ion batterij kwam er niet veel later toen hij met de intercalatie van lithium-ionen in titaniumdisulfide een spanningsverschil van 2 Volt ten opzichte van een lithium anode kon aantonen.

Ook voor doctor in de fysica, John Goodenough, gespecialiseerd in materialen voor elektronica, was de oliecrisis een aanzet tot carrièreswitch naar Oxford, waar hij als professor anorganische chemie zijn materiaalonderzoek kon focussen op energietoepassingen. Zijn grondige fundamentele materiaalkennis inspireerde hem om het sulfide uit Whittinghams batterij te vervangen door een oxide, waardoor hij een spectaculaire verdubbeling van de spanning naar 4 Volt realiseerde. Het lithiumcobaltoxide (LiCoO₂) dat hij hiervoor gebruikte en in 1980 publiceerde, is vandaag nog steeds het ‘standaard’ kathodemateriaal in de meeste lithium-ion batterijen.

Niettegenstaande het geweldige potentieel, vertoonden deze eerste batterijen ernstige mankementen. Immers, bij herhaaldelijk laden en ontladen, groeiden uit de reactieve lithium-anode zogenaamde ‘dendrieten’. Dit zijn metallische lithium-draden die, wanneer ze de kathode bereiken, voor kortsluiting zorgen en de batterij doen ontploffen. Herhaaldelijke ongelukken en de gelijktijdige prijsdaling van olie, verhinderden de commerciële doorbraak van de lithium-ion batterij in haar toenmalige vorm. Intussen maakte in Japan de consumentenelektronica grote opmars: video-camera’s, draagbare CD-spelers, draadloze telefoons, laptops en MP3-spelers zagen het licht en de behoefte aan lichtgewicht energiedragers steeg hierdoor immens.

Chemicus Akira Yoshino, zette in op deze vraag en loste het ‘dendrieten-probleem’ op door in plaats van metallisch Lithium, grafiet-achtig koolstof, een bijproduct van de olie-industrie, als basis voor de anode te gebruiken. De nieuwe koolstof-anode verhoogde niet alleen de veiligheid maar deed ook de levensduur van de batterij aanzienlijk toenemen en dit slechts ten koste van een aanvaardbaar verlies in energiedensiteit. Het resultaat was een lichte, veilige en langwerkende lithium-ion batterij die in 1991 gecommercialiseerd werd door de Japanse elektronicareus Sony.

De drie heren zetten elk een incrementele maar essentiële stap. Samen leidden ze tot de commerciële doorbraak van een technologie die, aldus het Nobelprijscomité, de basis legt voor een draadloze en fossielebrandstofvrije maatschappij.

Inderdaad, lithium-ion batterijen bieden ons de vrijheid om draadloos naar muziek te luisteren, te telefoneren en te werken en reiken ons handige hulpmiddelen aan bij het klussen, in onze mobiliteit, enz. … De technologie biedt echter ook oplossingen in het matigen van de schrijnende impact van de spectaculair toenemende energiebehoefte die zich aftekent in o.a. CO₂-uitstoot en luchtvervuiling. Elektrische mobiliteit of het voorzien van bufferopslag voor wanneer duurzame energiebronnen als zon en wind het even laten afweten, zijn hier voorbeelden van.

Sinds 1991 gaat het onderzoek naar Lithium-ion batterijen aan een snel tempo verder en verbetert de technologie gestaag. Nieuwe elektrodematerialen worden voorgesteld, die per volume of gewicht een groter aantal Li-ionen kunnen huisvesten of een hoger spanningsverschil vertonen (het aantal Li-ionen samen met het spanningsverschil tussen de twee elektrodes bepaalt de energiedensiteit). Materiaalkosten moeten omlaag, hetgeen betekent dat rekening wordt gehouden met beschikbaarheid van grondstoffen, duurzaamheid van syntheseroutes en assemblageprocessen, recycleerbaarheid enz. De batterijen moeten ook langer meegaan en veiliger zijn in gebruik.

Onder meer in Energyville voeren wij (onderzoekers van UHasselt en imec) onderzoek naar een vastestofbatterij waarbij het elektroliet (de vloeistof waar doorheen de lithium-ionen zich verplaatsen van anode naar kathode en omgekeerd) vervangen wordt door een vaste stof. De reden om over te stappen naar een vastestofbatterij heeft met levensduur en veiligheid van de batterij te maken. De vloeibare elektrolieten reageren immers chemisch met de elektrodematerialen, waardoor aan de grenslaag tussen de elektrode en het elektroliet een zogenaamde ‘solid electrolyte interphase’ of ‘SEI’ wordt gevormd. (De voor- en nadelen hiervan licht ik verder toe in het college. ) Zulke chemische reacties doen de batterij snel degraderen. Ook kan het vloeibaar elektroliet chemisch ontbinden bij extreme voltages of te warme temperaturen, met mogelijks catastrofale gevolgen. De batterij kan opzwellen, de beschermende behuizing scheuren, het elektroliet ontvlammen …

Deze risico’s kunnen vermeden worden door het reactieve vloeibare elektroliet in te ruilen voor een vaste stof. Bovendien laten vastestofelektrolieten ook terug metallisch lithium toe als anode, o.a. omdat het eerder beschreven ‘dendrieten-probleem’ zich hier niet zo manifesteert, waardoor de hiervoor ingeleverde energiedensiteit terug kan herwonnen worden. Je hoeft geen raketgeleerde te zijn om te begrijpen dat verplaatsen van ionen doorheen een vaste stof lastiger is dan doorheen een vloeistof, en dat een het vinden van een materiaal dat hiervoor geschikt is geen sinecure is.

Jarenlang diepgaand materiaalonderzoek heeft ons intussen zo ver gebracht dat we verschillende mogelijke ‘vastestofelektrolieten’ hebben ontwikkeld die de lithium-ionen even snel kunnen transporteren als een vloeistof. De volgende uitdaging bestaat erin deze elektrolieten optimaal te integreren in de batterij, samen met de andere materialen.

Als dat op punt is gesteld, zullen we bijvoorbeeld auto-batterijen maken die dubbel zo vaak als nu kunnen herladen worden; een typische oplaadbeurt zal tegen dan een actieradius van 800 km i.p.v. het huidige 300 km haalbaar maken. De meeste roadmaps voorspellen dat de vastestofbatterij in 2025-2030 de markt zal binnentreden.

In onze laboratoria gaat ondertussen het onderzoek onafgebroken verder en rijkt de horizon ruim voorbij 2030. We anticiperen met ons materiaalonderzoek van vandaag al op uitdagingen en mogelijkheden van volgende batterijgeneraties, na de lithium-ion batterij, die nog performanter en duurzamer zullen zijn.

Marlies Van Bael doet met haar team onderzoek in imo-imomec, het instituut voor materiaalonderzoek van UHasselt en imec, beide partners in Energyville (een samenwerking tussen UHasselt, imec, VITO en KU Leuven)