Lithium-ion-batterij werkt ook met magnesium

De lithium-ion-batterij is een van de meest gebruikte batterijtypen in de wereld. Door de lithium-ionen te vervangen door magnesium-ionen wordt de batterij mogelijk krachtiger en slaat het meer energie op. Amerikaanse wetenschappers namen voor het eerst waar dat magnesium-ionen het werk van lithium-ionen over kunnen nemen.

28 april 2015

Of het nu een elektrische tandenborstel is, een mobiele telefoon of elektrische auto, grote kans dat er lithium-ion-batterijen in zitten. Maar ondanks het succes wordt er ondertussen hard gewerkt aan alternatieven.

Wetenschappers van de University of Illinois at Chicago hebben nu een elektrode van mangaanoxide onder de loep genomen die magnesium-ionen gemakkelijk bindt en los laat.

Deze elektrode kan dienen in een batterij waarin de lithium-ionen zijn vervangen door de sterker geladen magnesium-ionen. Volgens de wetenschappers biedt dat kansen voor krachtigere batterijen, die in theorie ongeveer een derde méér energie opslaan dan de huidige lithium-ion-batterijen.

Sterkere ionen

De lithium-ion-batterij heeft haar populariteit vooral te danken aan de hoge energiedichtheid. In een kleine batterij is het mogelijk om relatief veel energie op te slaan. In theorie kan deze capaciteit nog verder omhoog, door bijvoorbeeld nog meer lithium-ionen in de batterij op te slaan. Een andere strategie is lithium-ionen vervangen door een sterker ion, zoals magnesium.

Een diagram van een elektrolyt. Met een Anode (Li) en een kathode. — Een lithium-ion-batterij werkt doordat binnen de batterij positief geladen lithiumionen van de pluspool (links) naar de minpool (rechts) stromen. Tegelijkertijd stromen er buiten de batterij, door een draad en apparaat, negatief geladen elektronen dezelfde richting op. Deze elektronen voorzien het apparaat van energie.
Sdk16420 via CC BY-SA 4.0

Een magnesium-ion heeft een positieve lading van 2, in tegenstelling tot lithium (+1). Elke magnesium-ion kan daardoor twee keer zoveel elektronen verplaatsen. Om magnesium-ionen in een batterij te gebruiken is er echter wel een andersoortige minpool nodig (zie afbeelding) die de magnesiumionen bindt en ‘opslaat’ op het moment dat een batterij ontlaadt.

De wetenschappers analyseerden een structuur van mangaanoxide waarvan al het vermoeden bestond dat het magnesiumionen bindt. Dit werd bevestigd door het met een elektronenmicroscoop onder de loep te nemen. Dat betekent volgens de onderzoekers dat verder onderzoek naar een werkende magnesiumbatterij gerechtvaardigd is.

Meer capaciteit maar lagere snelheid

Maar zo ver is het nog lang niet, want er wordt al langer gezocht naar alternatieven voor lithium-ionen. Er is zelf al een werkende magnesium-ion-batterij gemaakt, maar de lage capaciteit stond verder onderzoek in de weg.

Het probleem is dat ionen met een hogere lading weliswaar voor een grotere elektronenstroom zorgen, maar de snelheid waarmee ze zelf door de batterij bewegen is in het algemeen een stuk lager. Verder is er in het geval van magnesium een exotische elektrolyt nodig (waardoor de ionen in de batterij bewegen) omdat het niet in water gedijt.

Ook zijn de ionen een stuk groter, wat de energiedichtheid flink drukt. Peter Notten, hoogleraar van de afdeling Energy Materials and Devices van de Technische Universiteit Eindhoven laat weten: “Lithium is een relatief klein ion, dat zich in kleine holtes in de minpool kan binden. De veel grotere magnesium- of eerder gebruikte natriumionen hebben vanzelfsprekend grotere holtes en zodoende grotere elektrodes nodig. Zelfs wanneer deze ionen twee of zelfs drie elektronen bewegen, weegt dat vooralsnog niet op tegen de ruimte die ze in de batterij nodig hebben.”

Schaarste

Toch is dergelijk onderzoek naar alternatieven voor lithium nuttig, denkt Notten. Zelfs al zou een magnesium- of natrium-ion-batterij uiteindelijk een lagere energiedichtheid hebben dan de lithium-ion-batterij. “Omdat het zoveel wordt gebruikt verwacht men in de toekomst een schaarste van lithium”, zegt hij. “Magnesium is ruimer voorhanden, en goedkoper.”

De bij het onderzoek betrokken wetenschappers zeggen dat ze na deze ontdekking nog een lange weg te gaan hebben tot een bruikbare magnesium-ion-batterij. “Het is een onderdeel van een batterij, maar wel met de chemische reacties die we in een uiteindelijk prototype terug zouden vinden”, zegt hoofdonderzoeker Jordi Cabana in het persbericht.

Bron:

Kim C. et al., Direct Observation of Reversible Magnesium Ion Intercalation into a Spinel Oxide Host, Advanced Materials (online, 17 april 2015), DOI:10.1002/adma.201500083

Reageer