Onderzoekers ontwikkelen een natriumbatterij met hoge energiedichtheid – IT Pro – Nieuws

Onderzoekers van verschillende universiteiten, waaronder de TU Delft, hebben een nieuwe chemische samenstelling ontdekt die natrium-ionbatterijen competitiever maakt dan lithium-ionbatterijen. In het laboratorium leidt dit tot een aanzienlijk langere levensduur, sneller opladen en een hogere energiedichtheid.

Natriumionbatterijen krijgen aandacht omdat ze minder kritische grondstoffen gebruiken. Ionen bewegen via natrium in plaats van lithium, de anode heeft niet noodzakelijkerwijs grafiet nodig en de kathode heeft geen kobalt nodig. De grondstoffen voor dit type batterijen zijn minder geopolitiek geladen omdat ze goedkoper te produceren zijn en op vrijwel alle continenten te vinden zijn. De belangrijkste grondstof is natriumchloride (NaCl) of tafelzout. Dit maakt natriumionbatterijen een interessant alternatief voor gangbare lithiumvarianten. Zoals beschreven in een eerder artikel over natriumbatterijen loopt de ontwikkeling nog steeds achter, maar het potentieel is groot. Thuisbatterijen en elektrische voertuigen op natriumbasis zijn al in ontwikkeling. De nadelen zijn dat de energiedichtheid lager is, de accucellen minder snel opgeladen kunnen worden en de levensduur korter is.

Deze negatieve punten lijken grotendeels te zijn overwonnen. Onderzoekers van verschillende universiteiten, waaronder de TU Delft, publiceerden in Nature een nieuwe compositie met een kathode op basis van een combinatie van natrium (Na), lithium (Li), nikkel (Ni), mangaan (Mn) en titanium (Ti). Natriumionen zijn groter dan lithiumionen, wat het maximale laadvermogen beperkt. Maar de nieuwe samenstelling en structuur van de kathode bevordert een hoge diffusiteit van natriumionen, waardoor snellere laad- en ontlaadprocessen mogelijk zijn dan met de huidige natriumbatterijen. Er worden echter geen specifieke cijfers genoemd in het onderzoek.

Volgens onderzoek wordt de levensduur met 20 tot 40 procent verlengd ten opzichte van bestaande natriumbatterijen. In het laboratorium hadden de experimentele cellen na continu snelladen bij 3°C na ruim 700 oplaadcycli nog steeds 80 procent van hun capaciteit over. Elders wordt in een ander experiment zelfs gesproken over 1.000 cycli en 88 procent restcapaciteit. Dit laat vooral de potentie van de nieuwe compositie zien; Het is onduidelijk wat de levensduur zou zijn bij lagere laadsnelheden. Ter vergelijking: gewone NMC- en LFP-cellen kunnen onder normale gebruiksomstandigheden duizenden cycli bereiken.

Een ander nadeel van natriumbatterijen is hun lagere energiedichtheid, waardoor ze zwaarder worden. LFP-batterijen, die steeds vaker in elektrische voertuigen worden gebruikt, laten zien dat dit niet onoverkomelijk hoeft te zijn. Volgens het onderzoek werd op elektrodeniveau een energiedichtheid van 260 Wh/kg bereikt, wat vooral hoog is voor natriumbatterijen. Op celniveau, inclusief behuizing, anode, separator en elektrolyt, ligt dit iets lager: een schatting van 210 Wh/kg op basis van zo’n 80 procent. Dit is nog steeds een grote verbetering vergeleken met de gravimetrische energiedichtheid van LFP en bestaande natriumioncellen van ongeveer 160 Wh/kg. Het ligt dicht bij de huidige beste lithium-ionbatterijen met NMC-kathode, die momenteel tussen 260 en 300 Wh/kg variëren.

Volgens het onderzoek past de nieuwe samenstelling goed bij de bestaande productieprocessen voor lithium-ionbatterijen, wat de implementatie ervan in commerciële toepassingen zou kunnen vergemakkelijken. Omdat grondstoffen minder kritisch zijn, zouden natriumbatterijen op de lange termijn ook goedkoper te produceren zijn. In de Volkskrant zegt onderzoeker Marnix Wagemaker van de Technische Universiteit Delft: ‘Ik zal nooit zeggen dat één ontdekking alles verandert, maar dit onderzoek laat zien dat het gebruik van natrium perspectieven biedt. Ik ben ervan overtuigd dat natrium-ionbatterijen belangrijk gaan worden in de toekomst. komende decennia.”