Nieuwe batterij lijkt te mooi om waar te zijn

Ze vervullen een essentiële rol in de wereld: lithium-ion-batterijen. Door hun betrouwbaarheid en hoge energiedichtheid vind je ze terug in vrijwel alles wat oplaadbaar is. Van mobiele telefoons en laptops tot elektrische auto’s. Geheel zonder nadelen zijn ze overigens niet: bij een te snelle laadsessie kan er kortsluiting ontstaan, waarbij de batterij sterk opwarmt en openbarst. Dit probleem teisterde de uit de schappen gehaalde Samsung-telefoon Galaxy Note 7.

Een groep van wetenschappers van onder andere de Universiteit van Texas zegt nu een alternatief te hebben. Onder leiding van onderzoeksveteraan John B. Goodenough – die betrokken was bij de ontwikkeling van de lithium-ion-batterij – claimen ze een nieuwe lithiumbatterij te hebben die enkel uit vaste onderdelen bestaat. Het doorgaans vloeibare elektrolyt is vervangen door een glasachtig materiaal, waardoor kortsluiting vrijwel is uitgesloten. Als klap op de vuurpijl slaat de batterij bijna viermaal zoveel energie op als haar huidige concurrenten. Het onderzoek werd gepubliceerd in het gerespecteerde tijdschrift Energy & Environmental Science. Hierna barstte er een golf van kritiek los.

Ionen en elektronen

Om Goodenoughs vinding te snappen, ontkomen we niet aan een kleine batterijles. Een batterij bestaat altijd uit twee compartimenten (de zogenoemde anode en kathode) die worden gescheiden door een barrière (het elektrolyt). Een lithium-ion-batterij wordt gedreven door chemische reacties waarbij positief geladen lithiumdeeltjes (lithiumionen) van het ene naar het andere compartiment reizen. Tegelijkertijd reizen er negatief geladen elektronen in dezelfde richting, maar zij moeten door een draad heen. Het is deze elektronenstroom die een apparaat aandrijft.

De batterijprestatie hangt af van de gebruikte materialen. Hoe meer lithiumionen het systeem kan opslaan en verplaatsten, des te groter is de capaciteit van de batterij. Bij een oplaadbare batterij moeten de chemische reacties bovendien volledig omkeerbaar zijn. Het liefst zou je als anode een blokje puur lithium gebruiken (daarin zit immers het meeste lithium), maar dat levert problemen bij het opladen. Het lithium groeit dan als lange vertakkingen terug op de anode. Gevaarlijk, want wanneer de twee elektrodes via zo’n ‘lithiumtak’ met elkaar verbonden worden, ontstaat er kortsluiting. In lithium-ion-batterijen wordt daarom ook geen puur lithium gebruikt, maar grafiet.

Terug naar Goodenough. Hij en collega’s zeggen nu wél puur lithium als anode te kunnen gebruiken. Hun elektrolyt is een glasachtige substantie die de lithiumionen door kan laten. Bij de kathode worden de lithiumionen ‘opgeslagen’ op zwavel, een stof die ook in andere batterijen wordt gebruikt.

De testbatterij werd tweehonderd keer opgeladen en ontladen, zonder een groot spanningsverlies. Dat is voor een systeem in het laboratorium respectabel. Wat betreft capaciteit gooit de batterij echt nóg hogere ogen. Ze zou zo’n 850 wattuur per kilogram kunnen opslaan. Bijna vier keer meer dan de huidige batterijen. Mogelijk een doorbraak dus, als je bedenkt dat batterijen ieder jaar gemiddeld maar zo’n vijf procent beter worden.

Kritiek

Goodenough heeft een grote reputatie in het veld. Toch kwam er veel kritiek op het stuk. Collega’s uit het veld stellen dat de batterij helemaal niet kán werken. De wetten van de thermodynamica verbieden het. ‘Als iemand anders dan Goodenough dit had gepubliceerd, dan zou ik, nou, het is moeilijk om daar een net woord voor te vinden’, zei Princeton-professor Daniel Steingart in een commentaar op de website Quartz.

Ook Marnix Wagemaker, onderzoeker aan de Technische Universiteit Delft, is kritisch. “Aan de ene kant van de batterij heb je lithium, aan de andere kant heb je eigenlijk óók lithium”, zegt hij. “Normaal gesproken gebeurt er dan niets. Er gaat dan alleen een stroom lopen bij een potentiaalverschil. Theoretisch kan het als het lithium bij de kathode een positieve lading heeft. Hiervoor moet het echter worden afgeschermd van de elektrode die óók positief is.”

Volgens Wagemaker concludeert Goodenough dat de batterij werkt door het glasachtige elektrolyt. “In het artikel wordt het eigenlijk nauwelijks uitgelegd,” zegt Wagemaker, “maar er wordt gesuggereerd dat het elektrische veld van het positieve lithium wordt afgeschermd voor de rest van elektrode. Ik zie niet hoe dat werkt, aangezien het elektrolyt niet tussen het positieve lithium en de positieve elektrode zit. Er wordt hiervoor geen experimenteel bewijs geleverd.”