Wetenschappers uit Saarland ontwikkelen batterijanodes met 250 nm koolstofbolletjes gevuld met recyclebaar ijzer, waardoor de capaciteit wordt verhoogd tot 300 laadcycli.
- IJzeroxide, actief materiaal.
- Poreuze koolstof, belangrijke structuur.
- Zonder nikkel of kobalt.
- Overvloedige materialen.
- Toenemende capaciteit bij gebruik.
- Recycling, vanaf het ontwerp.
- Schonere opslag.
Batterijen gemaakt van oxide… of van gezond verstand?
Lithium-ionbatterijen hebben een centrale rol gespeeld in de energietransitie, maar hun minder zichtbare kant blijft een probleem: kritische metalen, agressieve chemische processen en een toeleveringsketen met moeilijk te negeren milieu- en sociale gevolgen. Tegen die achtergrond heeft een team van wetenschappers van de Universiteit van Saarland en de Universiteit van Salzburg aangetoond dat er een andere weg mogelijk is, zelfs met iets alledaags als ijzeroxide.
Het onderzoek, gepubliceerd in Chemistry of Materials, verkent een ongebruikelijke benadering: holle, ultraporeuze koolstofbolletjes, gevuld met nanodeeltjes van ijzeroxide, die grote hoeveelheden energie kunnen opslaan zonder gebruik te maken van problematische materialen zoals kobalt of nikkel.
Koolstofbolletjes: klein, hol en zeer efficiënt
Om je deze structuren voor te stellen, hoef je alleen maar te denken aan een microscopisch kleine versie van een gevulde bal. De zogenaamde carbon spherogels hebben een diameter van ongeveer 250 nanometer en een zeer poreuze interne structuur die een enorm elektrochemisch oppervlak biedt. Door deze combinatie kunnen actieve materialen worden opgeslagen zonder dat de elektrode snel wordt aangetast.
Het team uit Salzburg, onder leiding van professor Michael Elsässer, werkt al jaren aan het perfectioneren van dit type gestructureerde koolstof. Hun belangrijkste bijdrage hier is de nauwkeurigheid van het ontwerp: goed gedefinieerde interne holtes, geleidende wanden en voldoende mechanische stabiliteit om honderden laad- en ontlaadcycli te weerstaan.
Van het laboratorium naar “actief oxide”
In een eerste fase experimenteerden de onderzoekers met titaandioxide. Dat werkte wel, maar met beperkte capaciteiten. De echte doorbraak kwam toen ze het vervingen door ijzer, een element dat overvloedig aanwezig, goedkoop en gemakkelijk recyclebaar is.
Door middel van een schaalbare synthese op basis van ijzerlactaat slaagden ze erin verschillende hoeveelheden metallisch ijzer in de koolstofbolletjes te integreren. Het resultaat: robuuste poreuze netwerken met homogeen verdeelde ijzernanodeeltjes.
Hier komt een van de meest opvallende aspecten van de studie naar voren. De batterij wordt beter naarmate hij wordt gebruikt. Tijdens de eerste cycli oxideert het metallische ijzer geleidelijk tot elektrochemisch actief ijzeroxide. Dit proces, elektrochemische activering genaamd, verloopt niet onmiddellijk: het duurt ongeveer 300 cycli om de maximale prestaties te bereiken.
Dit gedrag is geen defect, maar wijst op een stabiel en gecontroleerd mechanisme, zonder abrupte reacties of versnelde degradatie van het materiaal.
Duidelijke voordelen ten opzichte van conventionele batterijen
Het gebruik van ijzeroxide biedt verschillende structurele en ecologische voordelen. Enerzijds vermindert het de afhankelijkheid van kritieke metalen, waarvan de winning vaak gepaard gaat met een hoge milieu-impact. Anderzijds wordt het gebruik van giftige oplosmiddelen, die vaak worden gebruikt bij de productie van conventionele elektroden, vermeden.
Bovendien fungeert poreuze koolstof als een beschermende matrix die de volumeveranderingen van het oxide tijdens de laadcycli dempt, een van de grote problemen van veel alternatieve materialen.
Het is geen magische oplossing, maar wel een solide vooruitgang. Een van die vooruitgangen die ertoe doen.
Het is nog geen complete batterij
De onderzoekers zelf maken dat duidelijk. Deze technologie heeft nog een lange weg te gaan voordat ze op de markt komt. De grootste uitdaging is het versnellen van het activeringsproces, zodat de batterij in minder cycli zijn maximale capaciteit bereikt. Ook moet er nog een compatibele kathode worden ontwikkeld, een essentiële stap om een complete functionele cel te bouwen.
Toch is de richting veelbelovend. Professor Volker Presser, hoofd van de afdeling Energiethermische Materialen en van de onderzoeksafdeling van het INM – Leibniz-Institut für Neue Materialien, wijst op een bijzonder interessant gebruik: stationaire opslag voor hernieuwbare energie, waarbij duurzaamheid en milieu-impact even belangrijk zijn als energiedichtheid.
Verder dan lithium: natrium in het verschiet
Het team evalueert deze structuren ook voor natriumbatterijen, een technologie die steeds vaker in de praktijk wordt toegepast, vooral in Azië. Natrium zal lithium niet overal vervangen, maar biedt duidelijke voordelen op het gebied van kosten en beschikbaarheid, vooral voor elektriciteitsnetten en grootschalige opslag.
Door het modulaire karakter van de koolstofsferogels kunnen bovendien andere actieve materialen in één synthesestap worden geïntegreerd. Een flexibel, aanpasbaar platform met toekomstperspectief.
Recycling vanaf het ontwerp
Het EnFoSaar-project, waaraan Stefanie Arnold deelneemt, gaat een stap verder dan elektrochemische prestaties. Het doel is duidelijk: batterijen die zijn ontworpen om te worden gedemonteerd en gerecycled, en niet om ongecontroleerd te worden vermalen.
Dit omvat efficiënte methoden voor het terugwinnen van lithium, het minimaliseren van complexe materiaalmixen en het streven naar gesloten systemen in de waardeketen van batterijen. Minder afval. Minder externe afhankelijkheid. Meer samenhang met de klimaatdoelstellingen.
Potentieel
Dit soort ontwikkelingen belooft geen onmiddellijke revoluties, maar wel slimme transities. Batterijen gemaakt van gangbare materialen, ontworpen om lang mee te gaan, bedoeld om te worden gerecycled en aangepast aan de werkelijke behoeften van de energietransitie.
Schonere opslag voor hernieuwbare elektriciteitsnetten. Minder druk op schaarse hulpbronnen. Technologie die aansluit bij een circulaire economie, die begint in het laboratorium en na verloop van tijd op straat terecht kan komen. Zonder vuurwerk. Met gezond verstand.
