De veelgebruikte lithiumionbatterijen, in bijvoorbeeld smartphones en elektrisch auto’s, bevatten een brandgevaarlijke vloeistof. Een nieuw ontwikkelde vaste stof kan die vloeistof vervangen. Dat kan veiligere en compactere batterijen opleveren.

Voor alledaagse toepassingen in telefoons, laptops, fietsen en auto’s zijn batterijen nodig die voldoende vermogen kunnen leveren en die gemakkelijk en vaak kunnen worden opgeladen. Op dit moment zijn lithiumionbatterijen de beste keus. Ze zijn licht en efficiënt. Maar ze zijn niet perfect. De vloeistof die nu de geladen deeltjes geleidt, is namelijk brandbaar en giftig.

De vloeistof vervangen door een vaste stof zou de batterijen veiliger maken. Maar het is niet eenvoudig om een vaste stof te vinden die net zo goed presteert als de huidige vloeistof. Scheikundigen van de Universiteit van Liverpool in het Verenigd Koninkrijk hebben nu een veelbelovend, nieuwe materiaal gevonden, met behulp van een kunstmatig intelligent computerprogramma (AI).

‘Alle oplossingen voor het klimaatprobleem zijn te vinden in de chemie’
LEES OOK

‘Alle oplossingen voor het klimaatprobleem zijn te vinden in de chemie’

Chemicus Joost Reek knutselt aan moleculen om oplossingen te vinden voor ’s werelds meest complexe problemen.

Vloeibare of vaste batterijen

Batterijen bestaan uit een negatief geladen elektrode (de anode) en een positief geladen elektrode (de kathode). Daartussen zit een elektrolyt. Als de batterij is aangesloten, dan stromen positief geladen deeltjes (ionen) door de elektrolyt, van de anode naar de kathode, terwijl de elektronen door het aangesloten apparaat stromen. Zo levert de batterij stroom. Tijdens het opladen van de batterij bewegen de ionen weer terug naar de anode.

Bij lithiumionbatterijen is de elektrolyt waar de lithiumionen doorheen bewegen een vloeibaar materiaal. Omdat deze vloeistof brandbaar is, moeten lithiumionbatterijen goed ingepakt worden.

‘Door een vaste stof te gebruiken als elektrolyt, is dat gevaar er niet meer’, zeggen de onderzoekers. ‘Het gebruik van een vaste elektrolyt zou het bovendien mogelijk maken om de huidige grafiet-anode te vervangen door een anode van lithiummetaal.’

Een anode van lithiummetaal zorgt voor een hogere energiedichtheid, en dus voor betere batterijen. Lithiummetalen en vloeibare elektrolyten gaan niet samen. Als je ze combineert, ontstaat er gemakkelijk kortsluiting en soms zelfs brand. Vaste elektrolyten hebben dat probleem niet.

Schematische weergave van lithiumionen (in blauw) die door de atoomstructuur van het nieuwe materiaal bewegen. Beeld: University of Liverpool.

Nieuw materiaal

Ondanks veel onderzoek was er tot nu toe geen vastestof-elektrolyt bekend die ionen net zo goed (of beter) geleidt dan de vloeibare. Het nieuwe materiaal kan dat wel.

Het materiaal, met de chemische naam Li7Si2S7I, ontwikkelden de onderzoekers met een beetje hulp van AI. Ze lieten het programma materialen ontwerpen en ze stuurden dat proces aan met hun eigen inzichten en achtergrondkennis.

Bij het nieuwe, vaste materiaal is niet alleen de chemische samenstelling van belang, maar ook de structuur waarin de atomen gerangschikt zijn. Die atoomstructuur zorgt er samen met de samenstelling voor dat het materiaal de ionen beter geleidt dan andere vaste stoffen.

Deze ontwikkeling maakt veiligere batterijen mogelijk die minder bescherming vergen tegen lekken. Daardoor kunnen ze compacter zijn dan de huidige batterijen.

De onderzoekers benadrukken wel dat dit materiaal tot nu toe enkel op kleine schaal is gemaakt en getest in het lab. Toekomstig onderzoek moet uitwijzen of het stabiel genoeg is om vaak op te laden. Ook rest de vraag of het mogelijk is om het spul grootschalig te produceren voor commerciële toepassingen zoals telefoons en auto’s.