Lithium-ionbatterijen zijn ontvlambaar en de prijs van de grondstof stijgt. Zijn er alternatieven? Ja:Empa en ETH Zürich-onderzoekers hebben veelbelovende benaderingen ontdekt over hoe we batterijen kunnen produceren uit afvalgrafiet en schroot.

Kostiantyn Kravchyk werkt in de groep van Maksym Kovalenko. Deze onderzoeksgroep is gevestigd aan zowel ETH Zürich als in Empa's Laboratory for Thin Films and Photovoltaics. Het ambitieuze doel van de twee onderzoekers in de Empa-vestiging is om een ​​batterij te maken van de meest voorkomende elementen in de aardkorst, zoals magnesium of aluminium. Deze metalen bieden een hoge mate van veiligheid, zelfs als de anode van puur metaal is. Dit biedt tevens de mogelijkheid om de batterijen op een zeer eenvoudige en goedkope manier te assembleren en de productie snel op te schalen.

Om dergelijke batterijen te laten werken, de vloeibare elektrolyt moet bestaan ​​uit speciale ionen die bij kamertemperatuur niet kristalliseren – d.w.z. een soort smelt vormen. De metaalionen bewegen heen en weer tussen de kathode en de anode in deze "cold melt", ingekapseld in een dikke mantel van chloride-ionen. Alternatief, grote maar lichtgewicht organische anionen, die metaalvrij zijn, kan gebruikt worden. Dit komt met een probleem, hoewel:waar moeten deze "dikke" ionen naartoe als de batterij is opgeladen? Wat zou een geschikt kathodemateriaal kunnen zijn? Ter vergelijking:in lithium-ionbatterijen, de kathode is gemaakt van een metaaloxide, die tijdens het opladen gemakkelijk de kleine lithiumkationen kan absorberen. Dit werkt niet voor zulke grote ionen, echter. In aanvulling, deze grote anionen hebben een tegengestelde lading aan de lithiumkationen.

Het probleem oplossen, Kovalenko's team had een trucje uit de mouw:de onderzoekers zetten het principe van de lithium-ionbatterij op zijn kop. In conventionele Li-ion-batterijen, de anode (de minpool) is gemaakt van grafiet, waarvan de lagen (in geladen toestand) de lithiumionen bevatten. In Kovalenko's batterij, in tegendeel, het grafiet wordt gebruikt als kathode (de positieve pool). De dikke anionen worden tussen de grafeenlagen afgezet. In Kovalenko's batterij, de anode is van metaal.

Kravchyk deed een opmerkelijke ontdekking toen hij op zoek was naar het "juiste" grafiet:hij ontdekte dat afvalgrafiet geproduceerd bij de staalproductie, aangeduid als "kish grafiet", zorgt voor een geweldig kathodemateriaal. Natuurlijk grafiet werkt ook even goed - als het wordt geleverd in grove vlokken en niet te fijn of gevouwen wordt gemalen, niet-vlokvormen. De reden:de grafietlagen zijn open aan de randen van de vlokken en de dikke anionen kunnen zo gemakkelijker in de structuur glijden. Het fijngemalen grafiet dat normaal wordt gebruikt in lithium-ionbatterijen, echter, is niet geschikt voor de batterij van Kovalenko. Door de grafietdeeltjes te malen, de lagen worden gekreukt als verfrommeld papier. Alleen kleine lithiumionen kunnen dit verkreukelde grafiet binnendringen, niet de dikke anionen van de nieuwe batterij.

De grafietkathodebatterij gemaakt van staalproductie "kish graphite" of ruw, natuurlijke grafietvlokken hebben het potentieel om zeer kosteneffectief te worden. En als de eerste experimenten iets opleveren, het is ook langdurig. Voor meerdere maanden, een laboratoriumsysteem overleefde duizenden laad- en ontlaadcycli. "De aluminiumchloride-grafiet-kathodebatterij kan tientallen jaren meegaan bij dagelijks huishoudelijk gebruik, " legt Kravchyk uit en voegt eraan toe "vergelijkbare demonstraties, maar verder verhoogde batterijspanningen, zonder afbreuk te doen aan de capaciteiten, en van nog lichtere elementen zijn onderweg en zullen een verdere toename van de energiedichtheden bieden van de huidige 60 Wh kg-1 tot meer dan 150 Wh kg-1"