Wetenschappers ondersteund door de SNSF hebben nieuwe elektrolyten geproduceerd voor oplaadbare natrium- en magnesiumbatterijen. Het doel van de onderzoeksgroep was om alternatieven voor lithium-iontechnologie te ontwikkelen.

Een project dat wordt ondersteund door de Zwitserse National Science Foundation (SNSF) heeft tot doel nieuwe materialen te vinden die kunnen worden gebruikt in oplaadbare batterijen en uiteindelijk alternatieven te bieden voor de huidige lithiumbatterijen. Op lithium gebaseerde batterijen hebben verschillende nadelen, zoals de beperkte beschikbaarheid van de grondstof zelf en de talrijke veiligheidsproblemen, die voornamelijk worden geassocieerd met het gebruik van een ontvlambare vloeibare verbinding. Dit probleem wordt geïllustreerd door de herhaling van exploderende mobiele telefoons.

Het recente onderzoek onder leiding van Arndt Remhof van de Zwitserse federale laboratoria voor materiaalwetenschap en -technologie, Empa, demonstreert het potentieel van natrium en magnesium bij de ontwikkeling van alternatieve technologieën die uitsluitend op vaste elementen zijn gebaseerd. Zijn team heeft experimentele batterijcomponenten gemaakt op basis van deze metalen.

Het materiaal wijzigen

Zwitserse onderzoekers hebben solid-state batterijcellen ontwikkeld met behulp van een vaste verbinding (in tegenstelling tot cellen die zijn gebaseerd op een vloeibare elektrolyt), waarvan het ontwerp een aanzienlijk technisch probleem vormt. Ionen - of ze nu lithium zijn, natrium of magnesium - moet door een vast medium kunnen bewegen. Door van de ene pool naar de andere te gaan in de batterij, ionen (positieve lading) vergemakkelijken de verplaatsing van elektronen (negatieve lading) en daarmee de ontlading van een elektrische stroom door een extern circuit.

Om de verplaatsing van ionen te vergemakkelijken, de onderzoekers ontwikkelden vaste elektrolyten met kristallijne structuur. Door lithium te vervangen door natrium of magnesium, Het team van Arndt Remhof moest hun kristallijne architectuur volledig herzien en nieuwe componenten en productieprocessen gebruiken.

"Ik vergelijk ons ​​werk altijd graag met dat van voetbaltrainer", zegt Arndt Remhof. "Je kunt de beste elementen samenbrengen, maar als je de instellingen niet optimaliseert, bereik je geen goede resultaten!"

Natrium:een goedkoop materiaal

Het team van Arndt Remhof heeft een vast elektrolyt ontwikkeld dat een goede mobiliteit van natriumionen bij 20 graden mogelijk maakt. Dit laatste punt is cruciaal:ionen hebben een warmtebron nodig om te bewegen, en het induceren van een reactie bij kamertemperatuur vormt een technische uitdaging. De elektrolyt is ook onbrandbaar en chemisch stabiel tot 300 graden, die de verschillende veiligheidsproblemen aanpakt die verband houden met lithium-ionbatterijen. Het team van Hans Hagemann aan de Universiteit van Genève heeft parallel gewerkt aan de ontwikkeling van goedkopere technologie voor de productie van deze nieuwe vaste elektrolyt.

In tegenstelling tot lithium, er zijn enorme reserves aan natrium:het is een van de twee componenten van tafelzout. "Beschikbaarheid is ons belangrijkste argument", zegt Léo Duchêne van Empa en eerste auteur van het onderzoekspaper. "Echter, het slaat minder energie op dan de equivalente massa lithium en zou dus een goede oplossing kunnen zijn als de grootte van de batterij geen factor is voor de toepassing ervan."

Magnesium:het perfecte maar complexe materiaal

Hetzelfde team heeft ook een solide op magnesium gebaseerde elektrolyt ontwikkeld. Tot nu, op dit gebied was nog maar weinig onderzoek gedaan. Dat het veel moeilijker is om dit element in gang te zetten, betekent niet dat het minder aantrekkelijk is:het is volop verkrijgbaar, het is licht, en er is geen risico dat het explodeert. Maar belangrijker, een magnesiumion heeft twee positieve ladingen, terwijl lithium er maar één heeft. Eigenlijk, dit betekent dat het bijna twee keer zoveel energie opslaat in hetzelfde volume.

Sommige experimentele elektrolyten zijn al gebruikt om magnesiumionen te stimuleren om te bewegen, maar bij temperaturen van meer dan 400 graden. De elektrolyten die door de Zwitserse wetenschappers worden gebruikt, hebben al vergelijkbare geleidbaarheid geregistreerd bij 70 graden. "Dit is baanbrekend onderzoek en een proof of concept, " zegt Elsa Roedern van Empa, die de experimenten leidde. "We zijn nog ver verwijderd van een compleet en functioneel prototype, maar we hebben de eerste belangrijke stap gezet om ons doel te bereiken."

Het Novel Ionic Conductors-project brengt onderzoekers van Empa, de Universiteit van Genève, het Paul Scherrer Instituut en het Henryk Niewodniczanski Instituut voor Kernfysica in Polen. Het wordt sinds 2015 gefinancierd door de Zwitserse National Science Foundation als onderdeel van het Sinergia-programma, die gezamenlijk en interdisciplinair onderzoek ondersteunt. "Wat we in minder dan twee jaar hebben weten te bereiken, is heel bijzonder!" zegt Arndt Remhof.