UT-hoogleraar Mark Huijben en zijn vakgroep onderzoeken nieuwe materialen om de levensduur van de batterij te verlengen en de prestaties te verbeteren. Dat doen ze voor verschillende toepassingen, van smartphones tot zware machines.
Snelladende batterijen
Onze huidige maatschappij vraagt om batterijen die niet alleen energiezuinig zijn, maar ook snel opladen, en betaalbaar en veilig zijn. Dat is nogal wat. Werk aan de winkel dus, voor Huijben en zijn collega’s. Huijben “We richten ons allereerst op het verder ontwikkelen van de bestaande batterijmaterialen. En daarnaast natuurlijk ook op onderzoek naar nieuwe materialen die meer energie kunnen opslaan. Ons onderzoek integreert alle batterijcomponenten: de anode, kathode en elektrolyt.”
Energiedichtheid, of hoeveel energie een batterij kan opslaan, is al lang een maatstaf voor materiaalkeuze. Maar de mogelijkheid om sneller op te laden is tegenwoordig net zo belangrijk. Er zijn veel materialen die een grote hoeveelheid energie goed kunnen opslaan, maar als ze te snel worden opgeladen, gaan ze sneller achteruit. “We richten ons op waarom deze degradatie optreedt. We onderzoeken materialen die beter bestand zijn tegen snelladen zonder daarbij defect te raken”, legt Huijben uit.
Niobaatanode
Zijn onderzoeksgroep heeft geëxperimenteerd met zogeheten niobaatanodes. Een nieuw alternatief voor een grafietanode, dat gebruikt wordt in traditionele batterijen. Een anode is de minkant van een batterij en een cathode is de pluskant. Niobaat is bestand tegen snel opladen. Als niobaat wordt opgeschaald naar industriële productie, kan het de oplaadtijden met een factor 10 verkorten, waardoor bijvoorbeeld elektrische auto’s veel sneller zijn op te laden.
Ethische en veiligere batterijen
Naast het verbeteren van de laadsnelheid is er een groeiende behoefte aan duurzamere en ethischere materialen, met name voor kathodes. Die bevatten nu meestal kobalt of nikkel - schaarse materialen die verband houden met milieuschade en mensenrechtenschendingen. “We onderzoeken alternatieven die niet deze elementen gebruiken, maar ijzer en mangaan. Ook verschuiven we van lithiumbatterijen naar natriumbatterijen. Natrium is wereldwijd toegankelijk. Het gebruik ervan zou de batterijkosten kunnen verlagen, ook al wordt het geleverd met een enigszins verminderde energieopslag”, zegt Huijben.
Een ander belangrijk aandachtspunt is veiligheid. Tussen de anode en kathode ligt de elektrolyt. De meeste batterijen hebben vloeibare elektrolyten, die essentieel zijn om het lithium van de ene naar de andere kant te brengen tijdens laden en ontladen. Vloeibare elektrolyten zijn echter licht ontvlambaar, wat risico's op oververhitting en in extreme gevallen brand met zich meebrengt.
Solid-state batterijen
De vakgroep van Huijben onderzoekt met partners uit de industrie vaste verbindingen die de vloeistof in batterijen voor maritiem transport, zware machines en soortgelijke toepassingen kunnen vervangen. “Solid-state batterijen zijn intrinsiek veiliger en zijn een veelbelovend alternatief waarvan we verwachten dat het zeer binnenkort op de markt zal komen.”
Battery Centre Twente
Bij de stap naar duurzamere batterijen, kijkt Huijben ook naar het complete plaatje van het productieproces. “Hoe worden fabrieken ontworpen? Hoe efficiënt is de productie? We moeten elke schakel in de waardeketen bekijken”, zegt Huijben.
Dit gebeurt in het Battery Centre Twente. Daarin werken onderzoekers en bedrijven samen om de levenscyclus van batterijen bij elke stap te optimaliseren: materiaalinkoop, gebruik van groene energie, productietechnieken, inclusief automatisering en softwareontwikkeling, en recycling van de originele materialen.
“De grootste uitdaging in ons werk is dat we toegang hebben tot apparatuur waarmee we die analyses op atomaire schaal kunnen uitvoeren”, aldus Huijben. Dankzij het MESA+ NanoLab kunnen we chemische reacties in een batterij zien tijdens het laden en ontladen, begrijpen waarom het ene materiaal beter presteert dan het andere, en de oorzaken van degradatie identificeren. Hierdoor kunnen we de prestaties van de batterij naar een veel hoger niveau tillen.”
Foto: Het unieke HAXPES-analysesysteem in het MESA+ Nanolab. Een wereldwijd uniek systeem. Meer info.
