- Onderzoek naar lithium-zwavelbatterijen belooft de gebruiksduur van batterijen fors te verbeteren.
- Nieuwe technologie maakt in theorie een vijf keer zo hoge energiedichtheid mogelijk ten opzichte van lithium-ionbatterijen.
- Onderzoekers hebben een prototype gemaakt op basis van een vezelmembraan gemaakt van Kevlar.
- Lees ook: Waterstof als brandstof voor elektrische auto’s: de perfecte oplossing, of compleet kansloos?
Batterijen vind je in allerlei apparaten, van mobiele telefoons tot elektrische voertuigen.
Momenteel werkt het overgrote deel met lithium-ionen en worden ze gemaakt van vervuilende materialen zoals lithium of kobalt.
Hoewel elektrificatie een noodzakelijke stap is om klimaatdoelstellingen voor het midden van deze eeuw te bereiken, is de technologie nog steeds niet zo duurzaam of milieuvriendelijk als zij zou kunnen zijn.
Momenteel worden grote hoeveelheden koolstof uitgestoten tijdens het fabricageproces van batterijen. Zelfs meer dan bij dat van auto’s met verbrandingsmotor. Toch zijn elektrische auto’s op de lange termijn milieuvriendelijker.
Autofabrikanten zijn erin geslaagd auto's te produceren met een respectabele actieradius van maximaal 700 kilometer. Maar door de schaarste aan materialen en de technologische beperkingen ziet het er niet naar uit dat deze cijfers veel zullen stijgen met de huidige lithium-ionbatterijen.
Onderzoekers over de hele wereld werken aan de verbetering van de technologie achter batterijen, die berust op de efficiëntie van nieuwe materialen. De vervanging van natrium door lithium en het gebruik van lithium samen met zwavel zijn de meest gangbare onderzoeksrichtingen.
Naast het feit dat deze materialen in theorie goedkoper zijn, zouden zij een betere energiedichtheid bieden en groener zijn dan de huidige batterijen.
Doorbraak bij batterijtechnologie?
Wetenschappers van de Universiteit van Michigan zijn erin inmiddels geslaagd de chemische reactie tussen de lithiumanode en de zwavelkathode gestabiliseerd. Hierdoor wordt de energiedichtheid van de batterij vijf keer zo groot, zo blijkt uit een in januari 2022 gepubliceerde studie.
Om de reactie te stabiliseren, gebruikten de onderzoekers een netwerk van aramide-nanovezels. Hiervoor is gebruik gemaakt van gerecycled kevlar, de stof die onder andere wordt gebruikt om kogelvrije vesten te maken, blijkt uit het onderzoek dat is gepubliceerd in Nature Communications.
De onderzoekers van de Universiteit van Michigan schatten dat, indien geïmplementeerd in een elektrische auto, de batterij een nuttige levensduur van tien jaar heeft.
"Er zijn een aantal rapporten die enkele honderden laadcycli claimen voor lithium-zwavelbatterijen. Maar dit wordt bereikt ten koste van andere parameters, de laadsnelheid, veerkracht en veiligheid", zei projectleider Nicholas Kotov, hoogleraar chemische wetenschappen en engineering, tegen de University of Michigan News.
Kotov beschreef de capaciteit en efficiëntie van het prototype als "bijna perfect", omdat het dicht in de buurt komt van de theoretische grenzen voor dit type technologie.
Andere voordelen van lithium-zwavelbatterijen
Lithium-zwavelbatterijen zijn bestand tegen extreme temperaturen, zowel warm als koud.
De batterijen zijn ook duurzamer dan lithium-ionbatterijen. Door kogelvrije vesten te recycleren, is het mogelijk de aramidevezels te verkrijgen die nodig zijn voor het membraan. Ook is het gemakkelijker om zwavel te verkrijgen dan het schaarsere kobalt dat wordt gebruikt in lithium-ionbatterijen.
Het onderzoek is gefinancierd door de National Science Foundation en het Amerikaanse ministerie van Defensie. Kotov heeft al een octrooi aangevraagd voor het membraan. Ook laat hij weten dat hij een bedrijf wil oprichten om het op de markt te brengen.