Elektrodemateriaal van met grafiet bedekt vanadaat/boraatglas (foto: ETHZ)
Glas, om preciezer te zijn vanadaat/boraat, zou de capaciteit van lithium/ion-batterij kunnen verdubbelen, zeggen onderzoekers van de Eidgenössige Technische Hochschule in Zürich (Zwi.) Opmerkelijk is dat dit artikel over dit onderzoek al in november in het blad Nature is gepubliceerd (maar dat is natuurlijk mijn makke). De verhoging maakt de kans op een ‘duurzame elektrische toekomst’ weer een tikje groter.
De duurzame toekomst gebaseerd op wind- en zonenergie vereist opslag van die energie. Dat vraagt weer om efficiënte opslagsystemen. Lithium/ionbatterijen zijn zo’n beetje het beste wat we nu hebben, maar voor de grootschalige opslag van elektrische energie is hun energiedichtheid nog veel te laag, is de algemene opvatting. “Wat we nodig hebben is nieuwe scheikunde en nieuwe materialen voor veiliger, betere en duurzamere batterijen”, zegt ETH-onderzoeker Semih Afyon.
Afyon en medeonderzoekers kwamen er in de loop der jaren achter dat een vanadium-glas een grote belofte op dit terrein zou kunnen inhouden. In kristallijne vorm kan vanadiumpentoxide drie lithiumionen kan bevatten, drie keer meer dan in de nu gebruikte elektrodematerialen zoals lithiumijzerfosfaat. Het vervelende is alleen dat vanadiumoxide die drie ionen niet allemaal wil laten gaan en bovendien maar een paar laad/ontlaadcycli overleeft. Dat heeft er mee te maken dat door het opnemen van lithiumionen vanadiumoxide opzet en weer krimpt als die weer weggaan. Daar kan zo’n elektrode niet lang tegen. Die gaat kapot (nog steeds een groot probleem bij lithiumbatterijen). Het zoeken is dus naar een materiaal dat structureel stabiel is en toch een grote energiedichtheid heeft. Een glas, vanadiumglas, zou een oplossing kunnen zijn.
Afyon maakte glazen elektroden van een mengsel van vanadiumoxide en boraat. “Boraat is de ‘verglazer’ en het resultaat is een materiaal is geen V2O5 en ook geen LiBO2.” Het mengsel werd verhit tot 900°C en vervolgens snel afgekoeld om het glas te vormen in papierdunne vorm dat daarna verpoederd werd voor het maximale uitwisselingsoppervlak. “Een belangrijk voordeel van vanadaat/boraat-glas is dat het goedkoop en eenvoudig te maken is.” Om vervolgens van het glaspoeder een elektrode te maken werd dat bedekt met een laagje van wat wordt aangeduid met gereduceerd grafietoxide (moeilijk, omdat grafiet koolstof is en koolstofoxides zijn gassen). Dat verbetert de geleidbaarheid en beschermt de elektroden deeltjes, zonder het transport van lithiumionen en elektronen te belemmeren. Zonder die grafietcoating was het na dertig cycli schluss bij een stroomsterkte van 400 mA per gram. Met de grafietcoating blijft de ontladingscapaciteit ook bij hogere stroomsterktes vrij stabiel tot zeker 100 laad/ontlaadcycli. Een batterij met grafietgecoat vanadaat/boraatglas bleek een energiedichtheid te hebben van 1000 Wattuur per kilo en een ontladingscapaciteit die makkelijk hoger kon zijn dan 300 mA/g (aanvankelijk zelfs 400). “Hiermee zou je een mobiele telefoon anderhalf tot twee keer langer kunnen bedienen in vergelijking met de huidige lithiumaccu’s.” Iets soortgelijks zou ook gelden voor auto-accu’s, stelt hij, hoewel die getallen vooralsnog niet nagelhard zijn. Intussen is overigens al wel octrooi op de vinding aangevraagd. We zien het wel.
Bron: Eurekalert