Zo’n twintig jaar geleden besloot de batterij-industrie vol in te zetten op een destijds beloftevolle technologie: de lithium-ionbatterij. Inmiddels is deze batterij de standaard voor elektronica en elektrische auto’s. Als lichtste element dat een vaste stof is, vormt lithium de perfecte keuze voor een batterij gericht op mobiliteit, dus laag in gewicht en met een hoge energiedichtheid. Toch kampt de technologie met tekortkomingen. Zo kunnen deze batterijen bij oververhitting in brand vliegen en ontploffen, en er bestaan nog nauwelijks manieren om ze op een milieuvriendelijke wijze te recyclen.  

Azië, met name China, domineert daarnaast het overgrote deel van de markt en de materialen rond lithium-iontechnologie. Daarnaast levert de winning van de benodigde kritieke materialen aanzienlijke milieuschade op en zijn de werkomstandigheden in sommige gevallen mensonterend. Meer dan genoeg reden om te zoeken naar betere materialen en technologische innovaties voor de duurzame batterij van de toekomst. Maar hoe ziet die batterij eruit? 

Next step: natrium 

Er is een ondertussen kaper op de kust om de lithium-ionbatterij van haar troon te stoten: de natrium-ionbatterij. De centrale grondstof – natrium uit zout – is alom aanwezig, makkelijker te recyclen en zorgt voor lagere productiekosten en een verbeterde veiligheid. Fysisch chemicus Moniek Tromp, hoogleraar aan de Rijksuniversiteit Groningen is boegbeeld van het Nationaal Groeifondsproject ‘Material Independence & Circular Batteries’, een samenwerking tussen ruim 60 bedrijven en kennisinstellingen die tot doel heeft om de Nederlandse positie in de wereldwijde batterijketen te versterken. Tromp: ‘De natrium-ionbatterij is de eerstvolgende stap waar we ons binnen dit project op nationaal niveau nu met z’n allen op richten.’ 

Een groot voordeel van natrium-iontechnologie is dat deze relatief vergelijkbaar is met die van lithium-ionbatterijen, legt Tromp uit. ‘Je hoeft daarom niet alle apparatuur te vervangen, of een hele nieuwe fabriek te ontwikkelen. Nieuwe innovaties voor deze batterij zijn redelijk snel naar de markt te brengen.’ 

In Azië rollen de eerste elektrische auto’s met natrium-ionbatterijen sinds vorig jaar zelfs al van de band. Dat betekent niet dat er geen werk meer aan de winkel is. Vergeleken bij lithiumionbatterijen hebben natrium-ionbatterijen doorgaans een lagere energiedichtheid en sommige typen kampen ook met een kortere levensduur in termen van laadcycli. Tromp: ‘Natrium is een groter ion dan lithium, waardoor de batterijen allerlei optimalisaties nodig hebben. Denk aan het aanpassen van de kathode waar het natrium in en uit beweegt.’  

’Innovaties voor de natrium-ionbatterij zijn redelijk snel naar de markt te brengen’

Moniek Tromp, Rijksuniversiteit Groningen 

Zelf onderzoekt Tromp met haar collega’s de duurzame optimalisatie van verschillende typen batterijen, waaronder natrium-ion en lithium-ion, maar bijvoorbeeld ook ijzer-luchtbatterijen. Ze ontwikkelde hiervoor een eigen röntgenspectrometer, waarmee de onderzoekers interacties tussen substraten en katalysatoren kunnen karakteriseren. ‘Met röntgenstralen kijken we tijdens het laden en ontladen van batterijen wat er waar gebeurt. Zo zagen we in commerciële lithium-ionbatterijen dat de kathode langzaam oplost afhankelijk van de laadcycli. Op basis van dit soort resultaten formuleren we optimalisaties om processen te stoppen of te versnellen, bijvoorbeeld met coatings of een ander soort elektrolyt of membraan.’ 

Reversibiliteit 

Hoewel natrium-iontechnologie nieuwe kansen biedt aan Europa, moeten we er volgens Marnix Wagemaker van de TU Delft, coördinator van het nationale onderzoeksprogramma BatteryNL en het Groeifonds programma SMART-CBAT, niet van uitgaan dat de markt valt te veroveren. ‘In China zijn ze qua technologie veel verder’, zegt Wagemaker. ‘Daar zijn ze de natrium-ionbatterij al aan het commercialiseren. Het is aan Europa om op zoek te gaan naar nieuwe materialen die de prestaties van de eerste generatie natrium-iontechnologie overtreffen, en daarmee een eigen speelveld te creëren.’ 

De grote uitdaging is reversibiliteit, zegt Wagemaker. ‘Je ladingdrager – of het nu lithium, natrium of iets anders is – moet heen en weer van de anode naar de kathode bewegen en daarbij niet blijven hangen door bepaalde degradatieprocessen. Voor een batterij met goede levensduur moet deze efficiëntie richting de 99,9999% gaan. Dat is voor elektrochemische processen zeer lastig om te behalen.’ 

Wagemaker ziet dan ook niet één batterij van de toekomst voor zich, maar een heel scala aan innovaties, die elk hun eigen voordelen en nadelen hebben. ‘In principe zijn er talloze elementen in het periodiek systeem waarmee je een batterij kunt maken’, legt hij uit. ‘Ik zie het als een woud van chemische mogelijkheden. Tussen die ontelbare opties zoeken we een duurzame route naar een batterij die zo vaak mogelijk te laden en ontladen is.’ 

’Het is aan Europa om op zoek te gaan naar nieuwe materialen en daarmee een eigen speelveld te creëren’

Marnix Wagemaker, TU Delft  

Laadefficiëntie 

Met zijn groep bestudeert Wagemaker de laadefficiëntie van materialen op atomair niveau. Hiervoor gebruiken ze onder andere neutronen uit een nucleaire reactor om ionen te zien migreren van de anode naar de kathode, en te kijken waar dit misgaat. Vervolgens combineren ze deze resultaten met kwantummechanische simulaties en AI om optimalisaties te voorspellen. ‘Bij natrium-ionbatterijen is bijvoorbeeld een uitdaging om een kristalstructuur voor kathoden te ontwikkelen die voldoende opslag van natrium, snelle laadtijden alsook een lange levensduur samenbrengt. Met fysisch gedreven AI zoeken we naar nieuwe materialen voor deze kathode van de toekomst.’ 

Ook op Europees niveau speelt AI een belangrijke rol voor de autonome productie van batterijen. Materiaalchemicus An Hardy, hoogleraar aan de Universiteit Hasselt, maakt deel uit van het Europese FULL-MAP project. Deze samenwerking tussen 32 bedrijven en kennisinstellingen, gecoördineerd door de Vrije Universiteit Brussel, verbindt Europese laboratoria en bedrijven die deel uitmaken van de waardeketen met elkaar. Hardy: ‘We willen de verzamelde gegevens van al die afzonderlijke Europese locaties samenbrengen en met elkaar delen. Hiermee hopen we veel sneller innovatieve stappen te kunnen zetten.’ 

Opdracht op afstand 

Om dit te automatiseren, willen de onderzoekers gebruik maken van AI en robotica. ‘We zijn van plan om robots bij verschillende instellingen in het lab plaatsen, die van afstand opdrachten kunnen ontvangen’, zegt Hardy. ‘Zo kunnen we faciliteiten in andere laboratoria gebruiken. Denk bijvoorbeeld aan het geautomatiseerd testen van een nieuw materiaal.’ 

Deze resultaten gaan de onderzoekers vervolgens centraal beheren en gebruiken om AI verder te trainen. Zelf richt Hardy zich met haar onderzoeksgroep op de ontwikkeling van minder giftige en duurzame materialen voor de batterij van de toekomst. ‘Als materiaalchemici kunnen wij de AI bijvoorbeeld gebruiken om de synthese van een nieuw materiaal te helpen voorspellen. Nu duurt het uitwerken van zo’n synthese vanwege de vele mogelijke routes heel lang, met veel vallen en opstaan. Door dit te automatiseren, kunnen we flinke tijdswinst boeken.’ 

‘Door het uitwerken van een synthese te automatiseren, kunnen we flinke tijdswinst boeken’

An Hardy, Universiteit Hasselt  

Naast de ontwikkeling van duurzame materialen ziet Tromp het ook als grote uitdaging om de productie van batterijen reproduceerbaar te maken. ‘Dit vormt zowel in het lab als in de industrie een groot probleem. Het samenvoegen van alle ontwikkelde innovaties in een batterij, waarbij alle connecties goed moeten passen en werken, is een uitdaging die veel verder reikt dan enkel de structuur van materialen.’ Wagemaker vult aan: ‘Als je bij wijze van spreken onderzoekers in China, Amerika en Nederland allemaal dezelfde materialen geeft om een batterij te maken, zal je zien dat de resultaten alsnog verschillen. Het komt echt aan op de details.’ 

Om die reden ziet Wagemaker juist een voordeel voor kleine landen als Nederland en België. ‘Doordat we relatief makkelijk resultaten met elkaar kunnen delen, kom je er gauw achter waar een probleem zit. We hebben echt een kans liggen om de ontwikkeling van batterijen op nationaal niveau te standaardiseren en snel te groeien door van elkaar te leren.’