In NMR-spectroscopie geldt het reciprociteitsprincipe: als je op een bepaalde positie een radiogolfveld (rf-field) kunt genereren, kun je het signaal dat daar vandaan komt ook detecteren. Als de veldlijnen loodrecht op een knoopcel vallen, buigen de veldlijnen om de metalen huls heen en zie je niets van de binnenkant van de cel. Een groep onderzoekers van Sandia National Laboratories in Albuquerque plaatsten de batterij parallel aan de veldlijnen en kregen wél een signaal, aldus hun publicatie in Science Advances.

Arno Kentgens, hoogleraar magnetische resonantie en hoofd van het MR Research Center aan de Radboud Universiteit (RU), legt uit hoe dat kan: ‘Als je het veld parallel op de batterijen plaatst, buigen de veldlijnen niet af, maar gaan ze mooi over de knoopcel heen. Die knoopcel heeft één niet-magnetisch deel: de dunne rand tussen de twee elektroden, waar een rubberen ring zit. Het radiogolfveld komt van de zijkant aan en kan mooi door die smalle rand heen. Dat veld blijkt helemaal niet zo slecht te zijn en kan alle materialen in de batterij bereiken, terwijl het veldlijnprofiel nauwelijks wordt beïnvloed.’

‘Het leuke aan NMR is, dat we over de tijd kunnen volgen waar het lithium naartoe gaat’

Arno Kentgens

Kijken zonder openen

Om de prestaties, betrouwbaarheid en duurzaamheid van batterijen te verbeteren, zou je de chemische en fysische veranderingen in de batterijen willen meten tijdens het gebruik. In een academische omgeving zijn er methodes om het systeem in een batterij na te bootsen zonder metalen huls, zoals plastic hulzen of dikke stroomdraden. Maar metalen hulzen blijven de industriële standaard, dus dat vormt een probleem.

Het Amerikaanse onderzoek laat zien dat het mogelijk is om de binnenkant van commerciële batterijen te bekijken zonder ze open te maken, wat kan bijdragen aan batterijveiligheid. Bijvoorbeeld in batterijen waarbij de vloeibare elektrolyt de zwakke schakel is, kan bij oververhitting waterstof gevormd worden. Daarnaast kunnen er lithiumdendrieten door het elektrolyt lopen, waardoor er kortsluiting ontstaat. Om de processen die daartoe leiden zo goed mogelijk te begrijpen, wil je ze bestuderen in een zo realistisch mogelijke omgeving: een intacte, commercieel verkrijgbare batterij.

Evan Zhao, assistent professor aan de RU en net als Kentgens werkzaam op het MR Research Center, noemt een aantal mogelijke toepassingen: ‘Je kunt het als diagnostische tool gebruiken en zien wat de capaciteit van een knoopcel is na duizend laadcycli. We weten meestal niet waarom een batterij degradeert, nu kunnen we de chemie van dat proces bekijken. Daarnaast kun je de toestand van een bepaald batterijtype bepalen na vele laadcycli.’

Kentgens vult aan: ‘Je zou het ook kunnen gebruiken voor recyclen. We verzamelen gebruikte batterijen en die bevatten verschillende stoffen zoals lithiummangaanoxide of nikkel. De lokale afvalverzameling krijgt alle verschillende typen batterijen binnen en willen weten wat erin zit en hoe ze deze moeten sorteren. Als je elk type batterij van een bepaald merk meet, zullen de andere van dat type ongeveer hetzelfde zijn.’

De Amerikaanse onderzoekers vonden nog een uitdaging: de knoopcellen waren van een ander type dan de fabrikant beweerde. De anode moest lithium zijn, maar uit hun metingen bleek dat het een lithium-aluminiumlegering was. Zhao: ‘De fabrikant had additieven toegevoegd en dat wordt meestal niet vermeld. Als je de batterijen wilt recyclen, moet je dit soort informatie meewegen.’

‘We weten meestal niet waarom een batterij degradeert, nu kunnen we de chemie van dat proces bekijken’

Evan Zhao

NMR en de energietransitie

Kentgens onderzoekt de ontwikkeling en toepassing van MR-onderzoek op materialen, specifiek op energiematerialen. Hij probeert deze vaste elektrolyten beter te begrijpen. ‘We doen lithium-NMR om te zien hoe het door de elektrolyt diffundeert. Het is meer dan alleen het materiaal begrijpen. Het zal geen enkel kristal zijn. Je moet weten hoe het lithium van de ene korrel naar de andere gaat, hoe het contact met de elektroden werkt en aan oppervlakken werken zodat je een efficiënt materiaal krijgt. Het leuke aan NMR is, dat we over de tijd kunnen volgen waar het lithium naartoe gaat.’

Zhao ontwikkelt geavanceerde NMR voor energiesystemen en materialen. Hij onderzocht recentelijk de degradatiereactie in redoxflowbatterijen voor energieopslag in het elektriciteitsnet. ‘We gebruikten vloeistof-NMR om de chemische reactie te bekijken tijdens gebruik. We konden de degradatiereactie identificeren die het capaciteitsverlies veroorzaakte. Door het voltage aan te passen konden we de degradatie omkeren en zo de levensduur van de batterij zeventien keer langer maken. We hadden in situ NMR nodig om het verschil bij verschillende voltages te observeren.’ (Jing et al. (2021) ChemRxiv)

Door nieuwsgierigheid gedreven

Hoewel de toepassingen mooi zijn, willen Kentgens en Zhao vooral begrijpen hoe de chemie in de materialen werkt. Je kunt niet voorzien welke ontdekkingen tot grote toepassingen gaan leiden. Zhao: ‘John Goodenough (die lithiumionbatterijen ontwikkelde, red.) probeerde geen batterij te ontwikkelen, hij bestudeerde de geleiding van lithiumionen in het materiaal. Andere ingenieurs bedachten dat het een goed batterijmateriaal zou zijn.’

Het is een algemeen verhaal in de wetenschap, stelt Kentgens. ‘Zo ging het ook met de ontdekking van NMR. Natuurkundigen wilden zien of ze de kernspins in een materiaal of oplossing konden waarnemen. Felix Bloch (Nobelprijslaureaat voor zijn onderzoek naar kernspinresonantie, red.) kon geen toepassingen bedenken, maar het is een uiterst belangrijk instrument geworden in spectroscopie en in beeldvorming in ziekenhuizen met MRI-scans. Daarom is fundamenteel onderzoek zo belangrijk. Er is tegenwoordig veel druk om de toepassingen vóór het onderzoek te benoemen. Maar door nieuwsgierigheid gedreven onderzoek geeft je al die onverwachte spin-offs. We moeten blijven onderzoeken. Dat is de algemene les die we uit deze voorbeelden kunnen halen.’