Nieuwe index voorspelt wanneer natrium-ionbatterij lithium kan vervangen

Lithium-ion is al jaren de standaard voor batterijen in telefoons, laptops en elektrische auto's. Maar de grondstoffen voor deze batterijen zijn duur en de vraag stijgt snel. Wetenschappers zoeken daarom naar alternatieven. Een natrium-ionbatterij is zo'n kandidaat: ze gebruikt goedkopere en overvloediger beschikbare grondstoffen zoals natriumzout. Het nadeel is dat deze batterijen minder energie per kilo opslaan en vaak zwaarder uitvallen dan hun lithium-tegenhangers.

Het probleem met losse specificaties

Tot nu toe vergeleken fabrikanten batterijtechnologieën vooral op losse kenmerken: hoeveel energie ze opslaan, welke spanning ze leveren, hoe efficiënt ze zijn. Die aparte metingen zeggen echter weinig over de vraag of een batterij in de praktijk daadwerkelijk hetzelfde werk kan doen als een andere. Een accu die op papier goed scoort, kan in een concreet apparaat toch tekortschieten.

Onderzoekers van het Southwest Research Institute (SwRI) in Texas ontwikkelden daarom de Electrical Interchangeability Index (EII), een rekenmethode die batterijen beoordeelt op basis van hun daadwerkelijke taak in een apparaat. Ingenieur Shuvodeep Bhattacharjya, een van de bedenkers, noemt het een 'toepassingsbewust' hulpmiddel waarmee fabrikanten kunnen zien of twee batterijtypes exact dezelfde belastingscyclus aankunnen, of dat vervanging juist tot problemen leidt.

Testen onder realistische omstandigheden

Het team testte de nieuwe methode op de populaire 18650-batterijcel: een cilindervormige cel van 18 millimeter breed en 65 millimeter lang, die veel wordt gebruikt in laptops, elektrisch gereedschap en elektrische voertuigen. In plaats van losse specificaties te vergelijken, onderwierpen de onderzoekers zowel lithium-ion- als natrium-ionversies van deze cel aan een breed scala aan operationele omstandigheden, waarbij ze keken naar zaken als vermogen leveren en opnemen.

Daaruit ontstonden twee categorieën: gebieden met een hoge EII-score, waar beide celtypes vrijwel identiek presteerden op temperatuur, beschikbare capaciteit en vermogen, en gebieden met een lage score, waar vervanging tot slechtere prestaties zou leiden. De tests keken ook naar laad- en ontlaadsnelheden, spanningsgrenzen en vermogensregistratie. In de gebieden met hoge scores bleken de resultaten herhaalbaar, wat aantoont dat beide technologieën daar dezelfde taken aankunnen.

Wat dit betekent voor batterijfabrikanten

De EII vervangt lithium-ion niet in één klap, maar geeft bedrijven wel een concreet hulpmiddel om te bepalen wanneer een natrium-ionbatterij als alternatief of extra bron kan dienen binnen een bestaand ontwerp. Scott Sjovall, manager van batterijonderzoek bij SwRI, noemt het een gestructureerde en verifieerbare methode om te bepalen waar nieuwe chemieën zoals natrium-ion passen in bestaande ontwerpen, en waar aanpassing juist noodzakelijk is. Dat kan bedrijven helpen bij het kiezen van batterijchemie en het kwalificeren van tweede leveranciers, zonder dat ze hun hele systeem opnieuw hoeven te ontwikkelen.

De huidige versie van de index zegt nog niets over hoe batterijen zich gedragen naarmate ze ouder worden of over hun volledige levensduur. SwRI wil de methode daarom uitbreiden naar andere batterijchemieën, celformaten en toepassingen, en ook onderzoeken hoe veroudering, slijtage en warmtebeheer de uitwisselbaarheid beïnvloeden.