Eind 2022 publiceerde C2W | Mens & Molecule een vooruitblik naar 2023. Volgens An Hardy en Dries De Sloovere van de Universiteit Hasselt moesten we in ieder geval rekenen op een commerciële doorbraak van natriumionbatterijen. Ze hadden het goed gezien. De Zweedse batterijenproducent Northvolt presenteerde afgelopen november namelijk hun nieuwste product; een batterij met natrium in plaats van lithium als ‘zwemmend’ ion tussen de polen.  

Maar natriumionbatterijen zijn per definitie groter en zwaarder dan lithiumionbatterijen. De toepasbaarheid voor een bijvoorbeeld elektrische voertuigen lijkt daardoor nog mijlenver weg. Als dat ooit haalbaar is. Toch wordt er wereldwijd onderzoek naar gedaan en schieten de startups die interessante natriumionbatterijen beloven als paddenstoelen uit de grond. 

Prangend probleem 

Vanaf de jaren ’70 van de vorige eeuw staan accu’s op basis van natrium- en lithiumionen in de belangstelling. Maar al snel loopt de laatstgenoemde op kop. Lithiumionbatterijen hebben een hogere capaciteit en energiedichtheid en kunnen vaker op- en ontladen dan de natriumvariant. Ze blijken daardoor veel sneller toepasbaar op grote schaal en de natriumionbatterij verdwijnt uit beeld. Desalniettemin knaagt de geografisch beperkte voorraad van lithium aan het imago van deze superbatterij. Grote lithiumschatten liggen vooral in Zuid-Amerika en Australië. De afhankelijkheid van een paar landen kan zo wel erg groot worden voor flinke economieën als die van Europa.

Dit probleem wordt extra prangend nu de markt voor elektrische auto’s sterk groeit en dus de vraag naar lithium toeneemt. Van dit probleem heeft natrium geen last; dat is overal in grote hoeveelheden te vinden. ‘De vraag naar energieopslag is nu dusdanig groot, dat je ziet dat producenten er niet aan kunnen voldoen,’ zegt Mark Huijben, hoogleraar nanomaterialen voor energieconversie en -opslag aan de Universiteit Twente. ‘Producenten zeggen: ik ga batterijen maken die misschien een wat lagere prestatie hebben dan lithiumionbatterijen, maar dan kan ik in ieder geval iets leveren.’ Daarnaast kan de natriumionbatterij in sommige domeinen zelfs de betere optie zijn. Een accu met Na+ lijkt bijvoorbeeld erg aantrekkelijk voor grootschalige energieopslag in stationaire systemen. Het volume en de massa van zo’n batterij is dan minder relevant. De natriumionbatterij is daarentegen potentieel wel goedkoper en veiliger dan zijn lithiumbroer.  

‘De stap van labschaal naar industrieel niveau was de bottleneck’

Mark Huijben 

Pruisisch wit  

Northvolt is er dus inmiddels in geslaagd om er eentje op de markt te brengen. Opmerkelijk genoeg is in Europa minder bekend dat de Chinese batterijenproducent CATL al in de zomer van 2023 op de autobeurs van Shanghai een elektrische auto heeft aangekondigd met dezelfde natriumionbatterijen. ´Ze gebruiken precies dezelfde materialen en hebben dezelfde energiedichtheid van 160 Wattuur per kilogram,’ zegt Huijben. In samenwerking met het Chinese automerk Chery gaan ze er elektrische auto’s mee maken, waarmee ze ook van plan zijn de Europese markt te betreden. Een belangrijk pluspunt van de batterij van Northvolt en CATL is dat alle componenten in grote hoeveelheden voorhanden zijn.

‘Dat al die bedrijven verschillende keuzes maken, laat zien dat verschillende materialen aantrekkelijk kunnen zijn’

An Hardy  

In tegenstelling tot de lithiumionbatterij is er bijvoorbeeld geen kobalt, nikkel en grafiet nodig, legt Huijben uit. Dat laatste materiaal lijkt eenvoudig te produceren omdat het alleen uit koolstof bestaat, maar het maakproces hiervan is delicaat en de productie vindt ook niet wereldwijd plaats. Ondanks dat de materialen uit deze nieuwe natriumbatterij al langer bekend waren, is het wel een doorbraak, zegt Huijben. Vooral de pluspool –de kathode– in de batterij van Northvolt en CATL vormde lang een barrière voor commerciële productie. Deze is van Pruisisch wit gemaakt; Na_2-xFe[Fe(CN)₆]_1-y.zH2O. ‘Op labschaal konden we dit al maken, de stap naar industrieel niveau was de bottleneck’, legt Huijben uit. Die stap is in Zweden en China nu met succes gezet. 

Is deze batterij dan de holy grail? ‘Elk materiaal heeft natuurlijk zijn positieve en negatieve kanten,’ zegt hoogleraar materiaalchemie An Hardy van de UHasselt. Voor Pruisisch wit is bijvoorbeeld de capaciteit aan de lage kant. Dries De Sloovere, projectleider R&D bij onderzoekscentrum imec, legt vervolgens uit dat hij daarom onderzoek heeft gedaan naar polyanionische materialen. Dit zijn zouten waarbij het anion een tetraëdrische vorm heeft, zoals in zijn geval het fosfaation (PO₄^3-). De Sloovere: ‘Dit heeft in principe een hogere energiedichtheid dan Pruisisch wit.’ 

Harde koolstof 

De minpool –de anode– bestaat in de batterij van Northvolt uit koolstof. Alleen niet in de vorm van grafiet zoals bij lithiumionbatterijen, maar als hard carbon.  Deze ‘harde koolstof’ bestaat uit een rommelige opbouw van stukken grafeen en grafiet met veel ruimte ertussen. Hierin kan natrium goed binden. Qua stabiliteit zijn er wel betere anodematerialen dan harde koolstof, zegt De Sloovere. Hij heeft titaniumoxide onderzocht als alternatief anode materiaal, dat past in de brede groep van transitiemetaaloxiden. ‘In zo’n batterij worden er continu natriumionen in de anode gestopt en weer teruggehaald,’ legt hij uit. ‘Dat moeten heel robuuste materialen zijn. De slijtage bij koolstof treedt misschien iets sneller op.’ Maar als we kijken naar puur de energiedichtheid, is harde koolstof het beste materiaal, geeft De Sloovere toe.  

Wat betreft de stof tussen de polen, de elektrolyt, gebruikt Northvolt een ‘gewone’ organische oplossing, net als bij lithiumionbatterijen. Onderzoekers over de hele wereld ontwikkelen ook andere elektrolyten. Deze zijn idealiter niet brandbaar, in tegenstelling tot de ontvlambare Li-ionbatterijen, en ook veilig voor het milieu en de gezondheid. Hardy en De Sloovere werken aan elektrolyten in vaste vorm. Die zijn niet alleen brandveilig, maar kunnen ook niet lekken.

‘De vloeistof bindt met de vaste stof en wordt zo opgesloten in de poriën’

Dries De Sloovere 

Binnen hun onderzoeksgroep hebben ze een elektrolyt ontwikkeld die bestaat uit twee componenten. De hoofdstructuur is gemaakt van een vast keramisch materiaal met zeer fijne poriën. In die poriën verwerken ze een deep eutectic vloeistof. Dit is een mengsel van een natriumzout en een organische verbinding met een smeltpunt dat lager ligt dan dat van de individuele componenten waar het uit is opgebouwd. ‘Macroscopisch is het echt een vast materiaal,’ legt De Sloovere uit. ‘De vloeistof bindt met de vaste stof en wordt zo opgesloten in de poriën.’ Ondanks dat de –aanvankelijk– vloeibare component van hun elektrolyt organisch is, is deze nauwelijks brandbaar, zegt Hardy. Ze hebben verschillende gestandaardiseerde tests uitgevoerd om de brandbaarheid te bepalen. ‘De vloeistof heeft een veel slechtere ontvlambaarheid. Er kan wel een klein vlammetje komen bij verhitting, maar dat dooft gelijk weer.’ 

Aan de eerste gecommercialiseerde natriumionbatterij van Europa valt zeker nog van alles te verbeteren. En de concurrentie ligt op de loer. Want er zijn veel andere typen batterijen op dit moment in commercialisatie, zegt Hardy. Het Britse Faradion maakt bijvoorbeeld batterijen met transitiemetaaloxiden als kathode en het Amerikaanse Natron gebruikt Pruisisch blauw voor beide elektrodes. Hardy: ‘Om te zien dat al die bedrijven verschillende keuzes maken, is al een argument om te denken dat verschillende materialen aantrekkelijk kunnen zijn.’ De beschikbaarheid van het benodigde materiaal blijft belangrijk in de zoektocht naar nieuwe natriumionaccu’s, verwacht ze. ‘In de huidige omstandigheden is er in Europa een reflex om autonoom te zijn in bepaalde gebieden.’ In dat opzicht heeft de batterij van Northvolt dus alvast een streepje voor.