Bij een batterij draait het om drie cruciale componenten: anode, kathode en elektrolyt. ‘De elektrolyt zorgt voor de ionen die nodig zijn om de stroomkring tussen de anode en kathode te sluiten’, legt An Hardy, gewoon hoogleraar aan het Instituut voor Materiaalonderzoek van de UHasselt, uit. ‘In AA-batterijen of de accu van een wagen is de elektrolyt vaak een vloeistof. Wij wilden dat vervangen door een vaste elektrolyt.’ Dat heeft vooral te maken met de veiligheid, omdat je zo de kans op een zogeheten thermal runaway in de batterij verkleint. Een bijkomend voordeel is dat je ook lithiummetaal kunt gebruiken, waardoor je de energiedichtheid verhoogt.

Matrix

‘Eigenlijk zijn we een beetje aan het cheaten’, zegt Hardy met een lach. Haar groep zet namelijk een vloeibare elektrolyt vast in een matrix waardoor die zich gedraagt als een vaste stof: een vaste-composiet elektrolyt (solid composite electrolyte, SCE). ‘Daardoor krijg je het beste van beide werelden.’

Dries De Sloovere, postdoc in Hardy’s groep en R&D projectleider bij imec, licht hun batterijeninnovatie toe: ‘Er zijn drie belangrijke factoren: de functionele eigenschappen, de maakbaarheid en de compatibiliteit met elektrodes. De eerste wil zeggen: werkt de SCE goed? Zo’n elektrolyt moet ionen heel snel geleiden en tegelijkertijd stabiel zijn.’ Nu is dat niet het allermoeilijkste punt, maar het is de combinatie van die drie factoren die een elektrolyt maakt of breekt.

Vijf minuten

Het productieproces – de maakbaarheid – is mede wat het Hasseltse product onderscheidt van andere SCE’s. ‘We beginnen met een vloeistof, waar we een precursoroplossing van maken die we een aantal weken laten uitreageren’, vervolgt De Sloovere. ‘Die oplossing kun je vervolgens simpelweg op redelijk poreuze elektroden druppelen, waardoor het er vanzelf intrekt.’ Als laatste bestraal je het geheel vijf minuten met uv-licht waardoor de elektrolyt vast wordt.

‘Het lijkt haast triviaal, maar de voordelen van onze aanpak zijn met het oog op industriële processen heel belangrijk’, benadrukt Hardy. ‘Op industriële schaal wil je niet vastzitten aan wachttijden wat bij andere SCE’s het geval is. Een gecoate elektrode moet dan vaak een aantal weken rijpen voor je ermee kunt werken, terwijl onze vloeistof in vijf minuten hard wordt.’

Daarnaast helpt het dat je kunt starten met een vloeistof. De industrie heeft al veel ervaring met vloeibare elektrolyten én beschikt over de juiste technologie. Hardy: ‘Het is een veel minder drastische omschakeling dan als je naar een proces met keramische geleiders zou gaan.’

‘De voordelen van onze aanpak zijn met het oog op industriële processen heel belangrijk’

An Hardy

Als derde factor geldt de compatibiliteit van de elektrolyt met de elektrodes. ‘Veel vloeibare elektrolyten bevatten reagentia die helpen om het geheel van vloeibaar naar vast om te zetten’, zegt De Sloovere. ‘Maar vaak zijn die stoffen – veelal zuren – schadelijk voor de elektroden.’ Kijk je naar bestaande SCE’s, dan voldoen ze meestal op twee van de drie punten, maar de Hasseltse SCE scoort op alle drie uitstekend. Vandaar dat ze de technologie hebben gepatenteerd voorafgaand aan de publicatie.

Spannend

‘We zijn al lang bezig met dit project, tijdens de coronaperiode al’, vervolgt De Sloovere. ‘Ik had toen een hele reeks potentiële oplossingen voor de elektrolyt gemaakt, maar door de lockdowns kon ik maar weinig in het labo zijn. Dus telkens als ik er weer was, keek ik met een bang hartje welke oplossing vloeibaar was gebleven. Dat was steeds een spannend moment.’

Uiteindelijk is dat gelukt, evenals het uitharden van de elektrolyt en het in elkaar zetten van een werkende batterij. ‘Ik heb altijd het volste vertrouwen gehad in Dries’, zegt Hardy. ‘Alles wat die jongen aanraakt verandert in goud, en dat zeg ik niet van iedereen! Veel mensen vergeten dat één succesvol resultaat vaak wel twintig tegenslagen kent, wat ook in ons geval zo was. Maar Dries is een heel geëngageerd en positief ingesteld persoon. Onmisbare eigenschappen in de wetenschap.’

‘De oplossing kun je simpelweg op poreuze elektroden druppelen’

Dries De Sloovere

De batterij die het Hasseltse team heeft ontwikkeld heeft nu de grootte van een knoopcel. Wil je van dat formaat naar een batterij voor een elektrische auto, dan moet je nog veel stappen zetten. ‘Je kunt op laboschaal technieken aantonen, maar er blijven veel uitdagingen bij opschalen’, aldus De Sloovere. Daarvoor is het team al wel in gesprek met bedrijven. ‘Daarnaast willen we de elektrolyt stabieler maken en verbeteren met bijvoorbeeld zelfhelende eigenschappen.’

De Sloovere, D. et al. (2024) Adv. Sci. 11(47), DOI: 10.1002/advs.202406774