Japanse katalysator zonder platina lost knelpunt lithium-zuurstofbatterij op

Een team onder leiding van professor Takahiro Ishizaki heeft een nieuw materiaal ontwikkeld dat een cruciaal probleem oplost bij lithium-zuurstofbatterijen. Deze batterijen gelden al jaren als veelbelovende opvolger van de huidige lithium-ion-accu's, omdat ze in theorie tot tien keer zoveel energie per kilo kunnen opslaan. Dat zou de energiedichtheid van accu's flink verhogen en elektrische auto's een bereik van honderden kilometers extra geven. Ook drones zouden er urenlang mee kunnen vliegen in plaats van slechts enkele tientallen minuten.

Het probleem zat tot nu toe in de chemie. Tijdens het laden en ontladen van een lithium-zuurstofbatterij vinden reacties met zuurstof plaats die traag verlopen. Dat kost veel energie en beperkt het rendement van de batterij. Edelmetalen als platina en ruthenium versnellen deze reacties wel, maar zijn te duur om op grote schaal in accu's te verwerken.

Twee materialen, één sterk composiet

De Japanse onderzoekers combineerden twee soorten metaaloxiden: een perovskiet en een spinel. Beide materialen werken los van elkaar al enigszins als katalysator, maar de combinatie bleek veel krachtiger dan de som der delen. Het composietmateriaal behaalde een spanningsverschil van slechts 1,14 volt tussen laden en ontladen, het laagste dat ooit is gemeten voor dit type katalysator. Hoe kleiner dat verschil, hoe minder energie er verloren gaat als warmte.

In tests versloeg het nieuwe materiaal zelfs commercieel verkrijgbaar rutheniumoxide tijdens het laadproces, en evenaarde het de prestaties van platina tijdens het ontladen. Dat is opmerkelijk, omdat platina tot nu toe gold als de beste maar ook duurste optie.

Kleiner oppervlak, betere prestaties

Nog opvallender was een andere ontdekking. Batterij-ingenieurs gingen er lang van uit dat een katalysator met een groter oppervlak altijd beter werkt, omdat er dan meer plekken zijn waar reacties kunnen plaatsvinden. Het nieuwe composiet had juist het kleinste elektrochemische oppervlak van alle geteste materialen, maar presteerde toch het best.

De verklaring ligt in de structuur op moleculair niveau. Op het grensvlak tussen de twee oxiden ontstaan zogeheten zuurstofvacatures: kleine gaten in het kristalrooster waar normaal een zuurstofatoom zou zitten. Deze vacatures vormen een soort snelweg waarlangs elektronen en zuurstofdeeltjes efficiënt kunnen bewegen. Niet de hoeveelheid reactieoppervlak blijkt dus doorslaggevend, maar de kwaliteit van de elektronische structuur.

Toepassingen op langere termijn

Volgens Ishizaki is de meest voor de hand liggende toepassing een efficiënte luchtelektrode voor lithium-zuurstofbatterijen, die elektrische auto's en drones een bereik kunnen geven dat ver uitstijgt boven wat huidige lithium-ion-technologie kan bieden. Stedelijke luchtmobiliteit met elektrische vliegtuigjes noemt hij nog een verdere stap, maar dit onderzoek is daar volgens hem wel een belangrijke bouwsteen voor.

Het platinavrije ontwerp kan ook interessant zijn buiten de autosector. Dezelfde katalysatorprincipes zijn bruikbaar bij de productie van groene waterstof, bij grootschalige metaal-luchtbatterijen en bij opslagsystemen voor zonne- en windenergie op het elektriciteitsnet. De lage kosten maken zulke toepassingen een stuk realistischer dan wanneer er dure edelmetalen nodig zouden zijn.