Technologietrends
Natrium-ionbatterij: de nieuwe trend voor de toekomst van elektrische voertuigen
juli 19, 2021
Deel:
Achtergrond
kosten van accu's voor elektrische voertuigen
Waarom elektrische voertuigen betere accu's nodig hebben
Elektrische voertuigen, met name die welke gebruikmaken van hernieuwbare energiebronnen voor de opwekking van elektriciteit, worden gezien als het model van de toekomst dat zal bijdragen aan de wereldwijde klimaatbescherming. Maar autofabrikanten hebben jarenlang schaars en relatief duur lithium gebruikt in hun accutechnologie, waardoor de massale acceptatie van elektrische voertuigen wereldwijd werd vertraagd.
Hoewel elektrische auto's, bedrijfsvoertuigen en elektrische fietsen volop in gebruik zijn, is hun toepassingsbereik nog beperkt. Hoge prijzen, omslachtige laadfaciliteiten en een batterijproductieproces dat veel grondstoffen verbruikt, belemmeren de snelle ontwikkeling van elektrische voertuigen.
Om elektrische voertuigen op grote schaal beschikbaar te maken, moeten autofabrikanten accu's introduceren die krachtiger, duurzamer, milieuvriendelijker en betaalbaarder zijn.
Natrium in plaats van lithium
Materiaalvergelijking
Natrium in plaats van lithium
Natrium-ionbatterijen vormen mogelijk een haalbaar alternatief, en de recente ontwikkelingen op dit gebied zijn verrassend positief. In de nabije toekomst zouden natrium-ionbatterijen lithiumbatterijen in elektrische voertuigen, smartphones en laptops kunnen vervangen.
Lithium en natrium, twee alkalimetalen, hebben zeer vergelijkbare chemische eigenschappen. Hoewel natrium een lagere energiedichtheid heeft dan het zeldzamere lithium, is natrium gemakkelijker te verkrijgen en relatief goedkoop.
veelbelovende doorbraken
Voortgang van het prototype
veelbelovende doorbraken
De prestaties van natrium-ionbatterijen lopen nog steeds zo'n 20 jaar achter op die van lithiumbatterijen. De reden hiervoor is dat onderzoekers zich de afgelopen tien jaar voornamelijk hebben gericht op het verbeteren van de prestaties van lithium.
Tegenwoordig zijn er niet alleen baanbrekende wetenschappelijke publicaties, maar ook zeer vooruitstrevende prototypes. Volgens een rapport dat in mei verscheen, doorliep een in Zuid-Korea ontwikkelde natrium-ionbatterij ongeveer 500 volledige laadcycli voordat de capaciteit daalde tot 80 procent van de oorspronkelijke capaciteit.
Een andere batterij, ontwikkeld door een Amerikaans-Chinees onderzoeksteam, kan ongeveer 450 keer worden opgeladen met dezelfde capaciteit. Een in China geproduceerde natrium-ionbatterij heeft een kleinere capaciteit, maar na 1200 snellaadbeurten van 12 minuten heeft deze nog steeds 70% van zijn capaciteit over.
Het klinkt misschien niet als veel, maar in de praktijk kunnen deze batterijen een groter aantal oplaadcycli doorstaan, omdat ze in het dagelijks leven doorgaans niet opnieuw worden opgeladen nadat ze leeg zijn. Het volledig ontladen en opnieuw opladen van de batterij in het experiment zorgt voor meer slijtage.
Het metaalelement lithium is zeldzamer en duurder, maar de meeste huidige batterijtechnologie maakt gebruik van lithiumbatterijen. De oorspronkelijke afbeelding toont de landen met de grootste lithiumreserves in 2019.
Bovendien vereist de natriumionentechnologie geen gebruik van schaarse grondstoffen. Zeldzame lithiumzouten zijn niet nodig voor de productie van kathodes; keukenzout volstaat. Hoogwaardige anodes kunnen worden gemaakt van bruinkool, hout en andere biomassa. Kobalt of soortgelijke zeldzame stoffen zijn niet nodig in het productieproces.
Fundamenteel onderzoek
Grafeen en natriumionen
Een doorbraak in fundamenteel onderzoek?
Natrium heeft twee nadelen: het weegt drie keer zoveel als lithium, dus hoewel lithiumbatterijen minder dan 5% van het totale batterijgewicht uitmaken, zou een batterij met natriumionen toch zwaarder wegen dan een lithiumbatterij.
Daarbij komt nog dat de prestaties van natriumbatterijen zwakker zijn. Omdat natriumionen 0,3 volt minder geleiden dan lithiumbatterijen, is er een onvermijdelijk verlies van ongeveer 10% aan energiedichtheid. Belangrijker nog is dat de grafietanodes van de huidige batterijen niet voldoende natrium kunnen bevatten.
Volgens een rapport van een Duits-Russische werkgroep onder leiding van het Helmholtz Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek (HZDR) in Dresden, Duitsland, kan nanokoolstof dit probleem helpen oplossen. Het rapport stelt dat het gebruik van een ultradun koolstofmateriaal, dubbellaags grafeen, meer natriumionen in de anode kan opslaan dan grafiet.
Als grafeenelektroden in de toekomst in lithiumbatterijen kunnen worden geïnstalleerd ter vervanging van de huidige, veelgebruikte grafietanodes, zou de batterijcapaciteit aanzienlijk kunnen toenemen.
Krasheninkov, een natuurkundige bij HZDR, vergeleek het met het plaatsen van een klein balletje tussen twee vellen papier: als je steeds meer kleine balletjes tussen de vellen papier legt, worden de vellen verder uit elkaar geduwd en wordt de ruimte tussen de twee vellen groter.
Compatibele technologie
Meerlaagse structuur
Een compatibele technologie?
Als een meerlaagse structuur voor lithiumbatterijen werkt, is die dan ook van toepassing op andere alkalimetalen zoals natrium? Een team van onderzoekers uit Dresden, Stuttgart en Moskou hoopt dit te ontdekken met behulp van geavanceerde supercomputersimulaties.
Omdat de tot nu toe ontwikkelde prototypes van natrium-ionbatterijen niet goed functioneerden doordat natrium slechts in geringe mate de grafietanode kon binnendringen, tonen computerberekeningen aan dat natrium, net als lithium, ingebed kan worden tussen grafeenlagen in een meerlaagse structuur.
Als in de toekomst grafeenelektroden in natrium-ionbatterijen worden geïnstalleerd in plaats van de huidige grafietanodes, kan een hogere opslagcapaciteit worden bereikt.
De resultaten van deze studies kunnen een doorbraak betekenen in de ontwikkeling van goedkope natriumbatterijen. Krasheninkov zei dat het onderzoek puur theoretisch is en niet pleit voor de ontwikkeling van een nieuwe generatie batterijen in de nabije toekomst, uitsluitend gebaseerd op de onderzoeksresultaten, maar dat het wel interessante nieuwe ideeën voor ingenieurs kan opleveren.
Batterijen van de toekomst
Toekomstperspectief
Batterijen van de toekomst
Gelukkig is de natrium-ionbatterij niet langer slechts een theoretisch concept. Een doorbraak in verwante technologieën lijkt nabij.
De meest recente bevindingen tonen aan dat er al praktische, betaalbare en grondstofefficiënte alternatieven bestaan voor dure lithiumbatterijen, en dat deze door middel van meerlaagse structuren zelfs hun prestaties kunnen verbeteren.
Het zal zeker nog even duren voordat de natrium-ionbatterijtechnologie klaar is voor massaproductie en gebruik in elektrische voertuigen of mobiele telefoons. Maar zodra het zover is, zou de omschakeling van de productielijn van lithiumbatterijen naar natrium-ionbatterijen geen groot probleem moeten zijn, omdat de technologie relatief vergelijkbaar is.
