Lithiumionaccu’s kunnen tot wel tien keer sneller opladen wanneer de anode is gemaakt van het nieuwe materiaal nikkelniobaat. Dat laten onderzoekers van de Universiteit Twente zien. Zo’n accu gaat lang mee en het nieuwe anodemateriaal is eenvoudig te fabriceren.

Hij is het duizend-dingen-doekje van onze telefoons, laptops, tablets en elektrische auto’s: de lithiumionaccu. Dat die onze levens prettiger en makkelijker heeft gemaakt, lijdt geen twijfel.

Maar de accu heeft ook zijn beperkingen. Na intensief gebruik kan hij bijvoorbeeld minder lading bevatten en gaat hij dus sneller leeg. Ook kun je een lithiumionaccu (hoe die werkt staat hier beschreven) niet oneindig snel opladen. Het is vooral de anode van grafiet die daar niet tegen kan. ‘Die degradeert dan sneller of gaat gewoon kapot’, vertelt Mark Huijben, hoogleraar nanomaterials for energy conversion and storage aan de Universiteit Twente.
 

Vervanger van grafiet-anode

Samen met collega’s in Duitsland en China heeft Huijben hier nu iets op bedacht. Zij hebben een nieuw materiaal gevonden om de anode van te maken: nikkelniobaat (voor de liefhebber: NiNb2O6, een oxide van nikkel en niobium). Dit blijkt goed te kunnen dienen als vervanger van de grafietanode en zelfs beter te presteren.
 

20.000 laadcycli

Met zo’n anode kan de accu tot wel tien keer sneller opladen. Nu is dat alleen al goed nieuws, maar er is meer. De accu komt met de nieuwe anode aan boord steeds weer terug op zijn oude laadniveau, ook na heel vaak opladen en ontladen. De onderzoekers lieten hun accu’s wel 20.000 snelle laadcycli doorlopen, waarna de batterij nog steeds optimaal werkte. ‘Weliswaar met een lagere laadcapaciteit dan bij langzaam laden, maar een gewone accu was allang stuk geweest’, zegt Huijben.

De resultaten van het onderzoek staan beschreven in een artikel (vrij toegankelijk) in het wetenschappelijke tijdschrift Advanced Energy Materials, dat eerder deze week verscheen.

 


Nano-kanaaltjes wijd genoeg

Wat is dat voor wondermateriaal dat de Twentenaren hebben gevonden? Huijben: ‘Het volgde eigenlijk uit eerder onderzoek naar andere materialen, waarbij de interne structuren nog niet ideaal waren om de lithiumionen door te laten. Vervolgens gingen we op zoek naar een materiaal dat nanokanaaltjes heeft die wijd genoeg zijn en allemaal even breed. Dat bleek nikkelniobaat.’ De structuur van het materiaal is weergegeven in bovenstaande figuur.
 

Natrium is nieuwe generatie

Het nieuwe materiaal blijft dus stabiel, ook na vele malen opladen en weer ontladen. Daarnaast vermoeden Huijben en collega’s dat het ook geschikt is voor een nieuwe generatie batterijen, waarbij het lithium als ladingsdrager is vervangen door natrium. ‘De kanaaltjes zijn daar in ieder geval breed genoeg voor.’

Lithium wordt gewonnen in mijnen en kan waarschijnlijk niet voldoen aan de enorme groei in lithiumionbatterijen voor de energietransitie. Natrium is overal beschikbaar als zout (NaCl) in zeewater.
 

Wel zwaarder

Hoewel de nieuwe anode zorgt dat een accu veel sneller op te laden is, wordt die accu er wel zwaarder van. Nikkelniobaat is immers zwaarder dan grafiet. De toepassing van het nieuw anodemateriaal ligt dan ook enerzijds bij stationaire accu’s, waarbij gewicht minder uitmaakt, en anderzijds bij de grotere voertuigen, zoals trucks, bussen en boten.
 

Eenvoudig in productieproces in te passen

Behalve de beschreven prettige eigenschappen van nikkelniobaat, zijn anoden van dit materiaal ook vrij eenvoudig te produceren. ‘Voeg de grondstoffen in poedervorm bij elkaar en bij de juiste omstandigheden en temperatuur ontstaat vanzelf de juiste structuur. We verwachten dan ook dat fabrikanten van accu’s dit nieuwe type anode vrij eenvoudig in hun productieproces kunnen inpassen’, zegt Huijben.

Voor het onderzoek werkten Huijben en collega’s van het Twente Centre for Advanced Battery Technology (MESA+ Instituut) samen met onderzoekers en ingenieurs van de Wuhan University of Technology in China en Forschungszentrum Jülich in Duitsland, bij de laatste heeft Huijben een gastaanstelling.
 

Openingsbeeld: in het lab vinden metingen plaats aan batterijcellen met het nieuwe anodemateriaal. Beeldmateriaal Xia et al., Advanced Energy Materials, 2021.