Een simpel en relatief goedkoop anodemateriaal dat in testbatterijen ook nog zorgt voor een extreem snelle (ont)laadtijd en geen degradatie vertoont – het lijkt een toekomstbeeld, maar onderzoekers aan het Twente Centre for Advanced Battery Technology, onderdeel van het MESA+ instituut, hebben het al verwezenlijkt in een testomgeving.  

‘De capaciteit gaat bij supersnelladen iets omlaag, maar de anode blijft verder intact’ 

‘Er zijn veel soorten lithiumionbatterijen met veel verschillende materialen en dus toepassingen’, vertelt Mark Huijben, hoogleraar nanomaterials for energy conversion and storage. ‘Bij standaard lithiumionbatterijen varieer je het kathodemateriaal, omdat het anodemateriaal – grafiet – eigenlijk prima werkt.’ Een nadeel aan grafiet is echter dat het bij supersnelladen uitzet en krimpt, waardoor het degradeert. Nu zijn er veel keramische, oxidische materialen die snel kunnen laden, maar de interne structuur is vaak complex. ‘Dat maakt de synthese niet makkelijker’, licht Huijben toe. ‘Daarnaast werkt ieder kanaaltje in zo’n materiaal net anders, dus het is niet ideaal voor toepassingen.’ 

Nikkelniobaat 

Onderzoeksleiders Huijben en Andre ten Elshof publiceerden eind vorig jaar met hun groep in Advanced Energy Materials over een simpeler materiaal: nikkelniobaat. Huijben: ‘Een van de beste anodematerialen op het moment is niobiumwolfraamoxide, maar het element wolfraam is relatief schaars en het heeft een complexe kristalstructuur. Omdat nikkel al een lange tijd bekend staat als bruikbaar in batterijen, wilden we de reeds bekende combinatie nikkelniobaat testen als anode.’  

Nikkelniobaat (NiNb₂O₆) heeft een kristalstructuur met één enkel kanaaltype dat redelijk groot is ten opzichte van die in andere kristalstructuren. Dat maakt de verplaatsing ofwel diffusie van de lithiumionen tijdens op- of ontladen veel makkelijker en zorgt er ook voor dat het volume van de anode nauwelijks verandert, hoe snel je ook oplaadt. ‘Nikkel en niobium zijn ook best gangbare elementen’, vervolgt Huijben. ‘De structuur is ideaal en de synthese gaat via vastestofsynthese, een relatief simpel proces waarbij je nikkeloxide en niobiumdioxide laat reageren. Daardoor is opschaling interessant omdat het geen extreem complexe synthese nodig heeft.’ 

36 seconden 

In het artikel laten Huijben en collega’s verder zien dat NiNb₂O₆ beter presteert dan negen andere anodematerialen, waaronder TiO₂, grafiet en Nb₁₈W₁₆O₉₃, met een lithiumdiffusie die twee ordegroottes hoger is bij eenzelfde activeringsenergie. NiNb₂O₆ heeft daarnaast een laadsnelheid tot wel 100 C. ‘C is de snelheid waarmee een batterij oplaadt’, licht Huijben toe. ‘Bij 1 C laadt een batterij in een uur op, bij 2 C in een half uur, enzovoort. Onze nikkelniobaatanode laadt bij 100 C dus in slechts 36 s op. De capaciteit gaat dan iets omlaag, maar de anode blijft verder intact en je kunt onbeperkt wisselen tussen laadsnelheden.’  

De meeste mensen denken bij dit verhaal dat onze elektrische auto’s straks binnen no-time zijn opgeladen, maar Huijben wil die gedachtegang graag corrigeren. ‘Ons materiaal is niet per se geschikt voor normale auto’s, vanwege het gewicht en de hoeveelheid energie die de batterij per kilogram kan leveren. Je moet eerder denken aan de mobiele heavy duty sector, zoals bussen en vrachtwagens, of meer stationaire toepassingen, zoals het opvangen van een overschot aan zon- en windenergie. Daar maakt het gewicht niet uit.’ 

Omdat dit nog fundamenteel onderzoek is, duurt het waarschijnlijk nog wel een aantal jaar voor dit materiaal toepassing vindt in de praktijk. ‘Maar we hebben al gesprekken met partners uit de industrie, die veel interesse tonen’, zegt Huijben. ‘Samen met de industrie willen we nu op grotere schaal de productie testen. Wanneer de resultaten gunstig zijn, zal de industrie waarschijnlijk de vervolgstappen gaan zetten.’ 

Xia, R. et al. (2021) Adv. Energy Mater. doi.org/10.1002/aenm.202102972