In onze toekomstige geëlektrificeerde wereld zal de vraag naar batterijopslag naar verwachting enorm zijn, met een jaarlijkse batterijproductie van meer dan 2 tot 10 terawattuur (TWh) in 2030, van minder dan 0,5 TWh vandaag. De bezorgdheid neemt echter toe of belangrijke grondstoffen voldoende zullen zijn om aan deze toekomstige vraag te voldoen. De lithium-ionbatterij - de dominante technologie voor de nabije toekomst - heeft een component gemaakt van kobalt en nikkel, en die twee metalen hebben te maken met ernstige leveringsbeperkingen op de wereldmarkt.

Nu, na een aantal jaren van onderzoek onder leiding van Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), hebben wetenschappers aanzienlijke vooruitgang geboekt bij de ontwikkeling van batterijkathodes met behulp van een nieuwe klasse materialen die batterijen dezelfde, zo niet hogere energiedichtheid bieden dan conventionele lithium-ionbatterijen maar kan worden gemaakt van goedkope en overvloedige metalen. Deze nieuwe familie van materialen, bekend als DRX, wat staat voor ongeordende steenzouten met een teveel aan lithium, werd minder dan 10 jaar geleden uitgevonden en maakt het mogelijk kathoden te maken zonder nikkel of kobalt.

"De klassieke lithium-ionbatterij heeft ons goed gediend, maar als we kijken naar de toekomstige vraag naar energieopslag, stelt de afhankelijkheid van bepaalde essentiële mineralen ons niet alleen bloot aan risico's in de toeleveringsketen, maar ook aan milieu- en sociale problemen", zegt Ravi Prasher, Berkeley Lab's Associate Lab Director voor energietechnologieën. "Met DRX-materialen biedt dit lithiumbatterijen het potentieel om de basis te vormen voor duurzame batterijtechnologieën voor de toekomst."

De kathode is een van de twee elektroden in een batterij en is goed voor meer dan een derde van de kosten van een batterij. Momenteel gebruikt de kathode in lithium-ionbatterijen een klasse materialen die bekend staat als NMC, met nikkel, mangaan en kobalt als de belangrijkste ingrediënten.

"Ik heb meer dan 20 jaar kathodeonderzoek gedaan, op zoek naar nieuwe materialen, en DRX is verreweg het beste nieuwe materiaal dat ik ooit heb gezien", zegt Berkeley Lab-batterijwetenschapper Gerbrand Ceder, die het onderzoek mede leidt. "Met de huidige NMC-klasse, die beperkt is tot alleen nikkel, kobalt en een inactieve component gemaakt van mangaan, is de klassieke lithium-ionbatterij aan het einde van zijn prestatiecurve, tenzij je overstapt op nieuwe kathodematerialen, en dat is wat de DRX-programma biedt.DRX-materialen hebben een enorme flexibiliteit in compositie - en dit is erg krachtig omdat je niet alleen allerlei soorten metalen in een DRX-kathode kunt gebruiken, maar je kunt ook elk type metaal gebruiken om elk probleem op te lossen dat zich tijdens de vroege stadia van het ontwerpen van nieuwe batterijen. Daarom zijn we zo enthousiast."

Risico's in de toeleveringsketen van kobalt en nikkel

Het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) heeft het tot een prioriteit gemaakt om manieren te vinden om het gebruik van kobalt in batterijen te verminderen of te elimineren. "De batterij-industrie wordt geconfronteerd met een enorme schaarste aan hulpbronnen", zegt Ceder. "Zelfs bij 2 TWh, het lagere bereik van de wereldwijde vraagprognoses, zou dat bijna de hele nikkelproductie van vandaag verbruiken, en met kobalt komen we niet eens in de buurt. De kobaltproductie is vandaag slechts ongeveer 150 kiloton, en 2 TWh batterijvermogen zou hebben 2000 kiloton nikkel en kobalt nodig in een of andere combinatie."

Bovendien wordt momenteel meer dan tweederde van de nikkelproductie in de wereld gebruikt om roestvrij staal te maken. En meer dan de helft van de wereldproductie van kobalt komt uit de Democratische Republiek Congo, met Rusland, Australië, de Filippijnen en Cuba die de top vijf van kobaltproducenten completeren.

DRX-kathoden daarentegen kunnen vrijwel elk metaal gebruiken in plaats van nikkel en kobalt. Wetenschappers van Berkeley Lab hebben zich gericht op het gebruik van mangaan en titanium, die zowel overvloediger zijn als goedkoper dan nikkel en kobalt.

"Mangaanoxide en titaniumoxide kosten minder dan $ 1 per kilogram, terwijl kobalt ongeveer $ 45 per kilogram kost en nikkel ongeveer $ 18," zei Ceder. "Met DRX heb je het potentieel om zeer goedkope energieopslag te maken. Op dat moment wordt lithium-ion onverslaanbaar en kan het overal worden gebruikt - voor voertuigen, het elektriciteitsnet - en kunnen we energieopslag echt overvloedig en goedkoop maken."

Geordend versus ongeordend

Ceder en zijn team ontwikkelden in 2014 DRX-materialen. In batterijen vertaalt het aantal en de snelheid van lithiumionen die in de kathode kunnen reizen zich in hoeveel energie en vermogen de batterij heeft. In conventionele kathoden reizen lithiumionen door het kathodemateriaal langs goed gedefinieerde paden en rangschikken zichzelf tussen de overgangsmetaalatomen (meestal kobalt en nikkel) in nette, geordende lagen.

Wat de groep van Ceder ontdekte, was dat een kathode met een ongeordende atomaire structuur meer lithium zou kunnen bevatten - wat meer energie betekent - terwijl een breder scala aan elementen als overgangsmetaal kan dienen. Ze leerden ook dat lithiumionen in die chaos gemakkelijk kunnen rondspringen.

In 2018 heeft het Vehicle Technologies Office in DOE's Office of Energy Efficiency and Renewable Energy financiering verstrekt aan Berkeley Lab om een ​​"diepe duik" te nemen in DRX-materialen. In samenwerking met wetenschappers van Oak Ridge National Laboratory, Pacific Northwest National Laboratory en UC Santa Barbara hebben Berkeley Lab-teams onder leiding van Ceder en Guoying Chen enorme vooruitgang geboekt bij het optimaliseren van DRX-kathodes in lithium-ionbatterijen.

De oplaadsnelheid - of hoe snel de batterij kan opladen - van deze materialen was aanvankelijk bijvoorbeeld erg laag en de stabiliteit ervan was ook slecht. Het onderzoeksteam heeft manieren gevonden om beide problemen aan te pakken door middel van modellering en experimenten. Studies over het gebruik van fluorering om de stabiliteit te verbeteren zijn gepubliceerd in Advanced Functional Materials en Geavanceerde energiematerialen; onderzoek naar het mogelijk maken van een hoge laadsnelheid is onlangs gepubliceerd in Nature Energy .

Omdat DRX met veel verschillende elementen kan worden gemaakt, hebben de onderzoekers ook gewerkt aan welk element het beste zou kunnen worden gebruikt, waarbij ze de goede plek bereikten om overvloedig en goedkoop te zijn en goede prestaties te leveren. "DRX is nu gesynthetiseerd met bijna het hele periodiek systeem," zei Ceder.

"Dit is wetenschap op zijn best:fundamentele ontdekkingen die de basis zullen vormen voor systemen in toekomstige huizen, voertuigen en netwerken", zegt Noel Bakhtian, directeur van het Energy Storage Center van Berkeley Lab. "Wat Berkeley Lab nu al tientallen jaren zo succesvol maakt op het gebied van batterij-innovatie, is onze combinatie van brede en diepgaande expertise - van fundamentele ontdekking tot karakterisering, synthese en productie, evenals energiemarkten en beleidsonderzoek. Samenwerking is de sleutel - we werken samen met de industrie en daarbuiten om problemen uit de echte wereld op te lossen, wat op zijn beurt helpt om de toonaangevende wetenschap die we in het Lab doen, te stimuleren."

Snelle vooruitgang

Nieuwe batterijmaterialen hebben traditioneel 15 tot 20 jaar nodig gehad om op de markt te komen; Ceder gelooft dat de vooruitgang op het gebied van DRX-materialen kan worden versneld met een groter team. "We hebben de afgelopen drie jaar grote vooruitgang geboekt met de diepe duik," zei Ceder. "We zijn tot de conclusie gekomen dat we klaar zijn voor een groter team, zodat we mensen met meer diverse vaardigheden kunnen betrekken om dit echt te verfijnen."

Een uitgebreid onderzoeksteam zou snel kunnen handelen om de resterende problemen aan te pakken, waaronder het verbeteren van de levensduur (of het aantal keren dat de batterij tijdens de levensduur kan worden opgeladen en ontladen) en het optimaliseren van de elektrolyt, het chemische medium dat de stroom van elektrische lading mogelijk maakt tussen de kathode en de anode. Sinds de ontwikkeling in het laboratorium van Ceder, hebben groepen in Europa en Japan ook grote DRX-onderzoeksprogramma's gelanceerd.

"Vooruitgang in batterijtechnologieën en energieopslag vereist voortdurende doorbraken in de fundamentele wetenschap van materialen", zegt Jeff Neaton, Associate Lab Director for Energy Sciences van Berkeley Lab. "De expertise, unieke faciliteiten en capaciteiten van Berkeley Lab op het gebied van geavanceerde beeldvorming, berekening en synthese stellen ons in staat om materialen te bestuderen op de schaal van atomen en elektronen. We zijn goed voorbereid om de ontwikkeling van veelbelovende materialen zoals DRX voor schone energie te versnellen."