Nieuwe technologie maakt batterijen schoner

Momenteel is de lithium-ionbatterij de beste batterijtechnologie, maar daarvoor zijn dure grondstoffen nodig die maar op enkele plaatsen in de wereld te vinden zijn. Lithium-ionbatterijen zitten in onze smartphones en laptops. Ook de meeste batterijen voor elektrische auto’s bevatten legeringen met kobalt. Kobalt - meestal een bijproduct in de ontginning van koper en nikkel - geeft de batterij een goede stabiliteit en een lange levensduur.

Congo

Voor de productie van lithium-ionbatterijen wordt meer dan 50 procent van de wereldproductie van kobalt gebruikt. De helft daarvan komt uit Congo waar het grotendeels met de hand wordt ontgonnen, niet zelden door kinderen.

Wetenschappers van de Universiteit van Californië in Berkeley hebben nu een batterij kunnen ontwikkelen die geen gebruik maakt van kobalt maar van andere metalen. Ze hebben een systeem gebouwd waarbij de kathodes tot 50 procent meer lithiumopslagcapaciteit hebben dan conventionele materialen. Hun studie is verschenen in Nature.

Nieuwe kamer geopend

“We hebben een nieuwe kamer binnen de chemie geopend en dat zal tot betere batterijtechnologie leiden”, zegt ingenieur Gerbrand Ceder van Berkeley. “Voor het eerst hebben we een goedkoop element gevonden dat in staat is elektronen uit te wisselen in batterijen.”

In de huidige generatie batterijen zijn de lithium-ionen opgeslagen in de kathoden (de negatieve pool) die een gelaagde structuur hebben. Kobalt is hier onontbeerlijk, omdat het die structuur in stand houdt en uiteindelijk bijdraagt tot een optimale stroomdoorvoer. Als de batterij is opgeladen worden lithium-ionen van de kathode naar de andere kant van de batterijcel getrokken, de anode.

Ceder ontdekte echter dat de kathoden ook een hoge dichtheid van energie kunnen bewaren zonder deze gelaagde structuur. Zijn studie toonde aan dat het element mangaan, een goedkoop en niet-schaars materiaal, hiervoor geschikt is.

Minder afhankelijk van kobalt

Volgens Ceder zal deze ontdekking de afhankelijkheid van kobalt sterk verminderen. “Door op een andere manier naar de kathoden en de gelaagde structuur te kijken, hebben we het onszelf mogelijk gemaakt om met meerdere elementen uit het periodiek systeem der elementen te gaan spelen.”

Via een bepaald proces hebben de wetenschappers een grote hoeveelheid mangaan ter hoogte van de kathoden aangebracht die uiteindelijk meer lithium-ionen bleek vast te houden, wat de batterij een verhoogde capaciteit gaf.

“In de wereld van de batterijen is dit werkelijk een grote verbetering ten opzichte van de conventionele kathoden”, zegt coauteur Jinhyuk Lee van het Massachusetts Institute of Technology.

Meer chemische vrijheid

De technologie moet nog verder getest worden om te zien of ze inzetbaar is in toepassingen zoals laptops of elektronische voertuigen. Volgens Ceder is het feit of de nieuwe ontdekking het al dan niet maakt tot in een batterij minder van tel. Hij zegt dat het meest belangrijk is dat de onderzoekers een deur hebben geopend naar een nieuwe manier om kathoden vorm te geven.

“Je kan nu bijna elk element uit de tabel der elementen gebruiken, want we hebben aangetoond dat de gelaagde structuur van kathoden niet essentieel is”, legt hij uit. “Plots geeft ons dat veel meer chemische vrijheid, en vooral daar zijn we erg opgetogen over. We kunnen nu starten met de ontwikkeling van nieuwe kathoden.”

Vandaag gaat ongeveer 10 procent van de wereldproductie van kobalt naar elektrische auto’s. Een derde gaat naar batterijen voor smartphones, tablets en andere elektronica. De rest naar toepassingen als kleurstoffen, keramiek, hitteresistente legeringen en harde metalen.