Onze moderne levensstijl zou enorm anders zijn zonder oplaadbare batterijen. Door hun lage kosten, recyclebare technologie, deze batterijen worden gebruikt in de meeste draagbare elektronische apparaten, elektrische en hybride voertuigen, en hernieuwbare energieopwekkingssystemen. Ze bieden een elegante oplossing voor de groeiende vraag naar energie in de wereld. Bovendien, oplaadbare batterijen zijn een essentieel hulpmiddel in systemen die hernieuwbare energie oogsten, zoals de wind en het zonlicht, omdat deze bronnen sterk kunnen fluctueren met het weer. Oplaadbare batterijen slaan opgewekte elektriciteit op en verzenden deze op verzoek. Dus, onderzoekers wereldwijd hebben zich gericht op het verbeteren van oplaadbare batterijen als een stap in de richting van duurzame energiebronnen.

Sinds hun commercialisering, lithium-ionbatterijen (LIB's) zijn de beste oplaadbare batterijen vanwege hun uitstekende prestaties. Echter, met de daaruit voortvloeiende piek in hun vraag, gekoppeld aan de beperkte beschikbaarheid van lithium en kobalt (een ander noodzakelijk element voor LIB's), het gebruik van LIB's kan binnenkort een groot probleem worden. Dus een team van wetenschappers van de Tokyo University of Science, onder leiding van prof. Shinichi Komaba, besloten om de minder bereisde weg te bewandelen:ze concentreerden zich op het vervangen van het uitputtelijke element lithium door betere alternatieven zoals natrium en kalium. Natrium en kalium zitten in dezelfde alkalimetaalgroep in het periodiek systeem der elementen, en hun chemische aard is, daarom, redelijk overeenkomstig. Maar, in tegenstelling tot lithium, deze elementen zijn wijdverbreid op aarde, en het gebruik ervan om hoogwaardige oplaadbare batterijen te ontwikkelen zou een doorbraak zijn in de richting van een duurzamere samenleving.

In 2014, Prof Komaba, samen met Prof M. Stanley Whittingham, die in 2019 de Nobelprijs voor Scheikunde won, analyseerde de huidige stand van de ontwikkeling van natrium-ionbatterijen en publiceerde zijn beoordelingen als een recensie. Dit werd een veel geciteerde studie, met meer dan 2, 000 citaties alleen in de afgelopen 5 jaar. Prof Komaba en zijn team onderzochten vervolgens een ander aannemelijk alternatief voor LIB's, kalium-ionbatterijen (KIB's), die sinds 2015 langzaam de focus zijn geworden van uitgebreid onderzoek na bepaalde baanbrekende studies (bijv. een studie gepubliceerd in Natuurmaterialen in 2012), waarvan sommige werden uitgevoerd door de groep van Komaba. Het gebruik van kalium in batterijen is veelbelovend omdat ze vergelijkbare (of zelfs betere) prestaties laten zien als LIB's. Bovendien, de materialen die nodig zijn om KIB's te bouwen zijn allemaal niet-toxisch en veel overvloediger dan die nodig zijn voor LIB's. Prof Komaba stelt, "Door nieuwe materialen te bestuderen voor toepassingen in lithium-, natrium-, kalium-ion batterijen, we wilden een energiezuinige en milieuvriendelijke technologie ontwikkelen."

In een opmerkelijke poging om verder onderzoek naar KIB's te vergemakkelijken, de onderzoeksgroep onder leiding van prof. Komaba analyseerde de werking van KIB's in detail in een uitgebreide recensie gepubliceerd in Chemische beoordelingen . Hun paper omvat alles wat te maken heeft met de ontwikkeling van KIB's, van kathode- en anodematerialen, verschillende elektrolyten en volledig vaste KIB's, tot elektrodendoping en elektrolytadditieven. Bovendien, de review vergelijkt de verschillende materialen die worden gebruikt in lithium-, natrium-, en kalium-ionbatterijen. Omdat het de enige studie is die verschillende aspecten van oplaadbare batterijen uitvoerig analyseert, het zou heel nuttig kunnen zijn om huidige en toekomstige onderzoekers in de goede richting te leiden. Het is van onschatbare waarde voor iedereen die zich in dit onderzoeksonderwerp wil verdiepen, het hebben van uitgebreide volumes van eerder onderzoek naar KIB's en al het verworven inzicht dat is gecondenseerd in een enkel artikel.

De voortdurende ontwikkeling van KIB's zal hopelijk leiden tot een toename van het gebruik van dit felbegeerde alternatief voor LIB's. "Zoals blijkt uit recent intensief onderzoek, KIB's worden erkend als veelbelovende kandidaat-batterijen van de volgende generatie vanwege hun unieke kenmerken, zoals kosteneffectiviteit, hoog voltage, en krachtige werking. Verdere verbeteringen van de prestaties van KIB's zouden de weg vrijmaken voor hun praktische toepassing, " legt prof Komaba uit.

Echter, onderzoek naar bepaalde aspecten van KIB's, zoals hun veiligheid, is beperkt geweest, en focus moet worden gelegd op het verkrijgen van meer inzicht in wat er fysiek en chemisch gebeurt tussen de verschillende componenten en elementen. Prof Komaba is in dit opzicht hoopvol en besluit door te zeggen:"Onderzoek naar KIB's, inclusief elektrodematerialen, niet-waterige/vaste elektrolyten, en additieven zullen nieuwe inzichten verschaffen in de elektrodereacties en vaste ionen, het openen van nieuwe strategieën die de creatie van batterijen van de volgende generatie mogelijk zouden maken." Zijn onderzoeksgroep heeft zich ook gericht op supercondensatoren en biobrandstofcellen, samen met zowel LIB's als natrium-ionbatterijen, die in de toekomst allemaal een zeer belangrijke functie kunnen krijgen in een duurzamere samenleving.