Nieuwe op natrium gebaseerde solid-state batterijen kunnen sneller opladen en een hogere capaciteit bieden

Onderzoekers van het Duitse Bundesinstitut für Materialforschung und -prüfung (BAM) herontwerpen solid-state accu's om het plafond dat de huidige lithium-ioncellen bereiken, te overwinnen de huidige lithium-ioncellen te overwinnen. Hun project concentreert zich op een nieuwe natrium super-ionische geleider (NASICON) elektrolyt die sneller opladen, een langere levensduur en lagere kosten mogelijk maakt zonder de veiligheid in gevaar te brengen.

Conventionele lithium-ionpakketten zijn gebaseerd op grafietanoden die een eindig aantal ionen opslaan. Overschakelen op metallisch lithium of het goedkopere, meer overvloedige natrium zou de energiedichtheid met wel 40% verhogen. Het addertje onder het gras is dat vaste anoden een vaste elektrolyt nodig hebben, en de starre interface tussen de twee vormt vaak holtes die de batterij onbruikbaar maken. Een gedeeltelijk vloeibare anode kan dat interfaceprobleem oplossen, maar alleen als het hele systeem stabiel blijft.

Het team van BAM, onder leiding van gastonderzoeker Gustav Graeber, heeft al aangetoond dat een vloeibare alkalimetaalanode 100 keer meer vermogen kan leveren dan grafiet. Op dit moment is dat recordvermogen echter pas zichtbaar bij ongeveer 250°C (482°F). Om de technologie op kamertemperatuur te brengen, voegen de onderzoekers kalium toe om het smeltpunt van de anode te verlagen. De meeste vaste elektrolyten breken af in contact met kalium, dus wordt de elektrolyt de nieuwe bottleneck.

NASICON materialen doorbreken die impasse. Ze geleiden ionen goed bij omgevingscondities en verdragen kalium, vooral wanneer ze gedoteerd zijn met hafnium. Hafnium is echter schaars en duur. Het BAM-project screent daarom aardse doteermiddelen die het stabiliserende effect van hafnium kunnen evenaren. De meest veelbelovende samenstellingen worden al geïntegreerd en gebruikt in prototypes van natriumcellen.

Als de zoektocht slaagt, zouden vaste-stofbatterijen op basis van natrium de overstap kunnen maken van het laboratorium naar alledaagse apparaten en elektrische voertuigen. Een hogere energiedichtheid zou de gebruiksduur verlengen, terwijl vaste elektrolyten de intrinsieke veiligheid zouden verbeteren. Sneller opladen en een toeleveringsketen die leunt op overvloedig natrium in plaats van op het schaarse lithium en kobalt zouden de technologie ook aantrekkelijk maken voor netopslag, een stapsgewijze maar betekenisvolle stap in de richting van koolstofarme energiesystemen.