Klimaat & energie › Solid-state batterijen & energieopslag
Britse onderzoekers vinden 28 materialen voor betere natrium-batterijen
Onderzoekers van de University of Surrey hebben 28 verschillende materialen getest als bouwsteen voor natrium-ionbatterijen. De resultaten laten zien welke metaalcombinaties batterijen meer energie laten opslaan, sneller laten opladen of langer laten meegaan, en kunnen zo het schaarse lithium een stap dichterbij vervangen.
Lithium-ionbatterijen zitten in vrijwel elke telefoon, laptop en elektrische auto. Maar lithium is schaars en komt maar op een paar plekken op aarde vandaan, vaak in landen met instabiele aanvoerketens. Natrium, de stof die ook in gewoon keukenzout zit, is juist overal ter wereld ruim voorradig en goedkoop. Daarom werken wetenschappers hard aan natrium-ionbatterijen als alternatief. Het probleem: ze slaan nog minder energie op dan lithium-ionbatterijen en gaan minder lang mee na herhaald opladen.
Op zoek naar het beste recept
Een team van de University of Surrey, onder leiding van scheikundig docent Daniel Commandeur, probeert dat probleem op te lossen door te schuiven met de chemische samenstelling van de batterij. Ze richtten zich op de kathode, het onderdeel van een batterij dat grotendeels bepaalt hoeveel energie er in past en hoe efficiënt die vrijkomt. Als basis gebruikten ze natrium-mangaanoxide, een veelbelovend maar nog onvolmaakt kathodemateriaal. Door het mangaan gedeeltelijk te vervangen door andere metalen, zoals ijzer, titanium en vanadium, in steeds andere verhoudingen, bouwden de onderzoekers een bibliotheek van 28 varianten op. Elke variant werd afzonderlijk getest in een werkende batterijcel.
De verschillen bleken groot. IJzer vergrootte vooral de hoeveelheid energie die de batterij kon opslaan. Vanadium zorgde voor een stabielere batterij die minder snel achteruitgaat bij herhaald gebruik. Kleine beetjes titanium verbeterden juist het vermogen om snel op te laden en te ontladen. Sommige titaniumvarianten behielden na honderd laad- en ontlaadcycli nog meer dan 90 procent van hun oorspronkelijke capaciteit, een opvallend goed resultaat voor dit type batterij.
Kunstmatige intelligentie als speurhond
Met 28 materialen is het nog altijd zoeken naar een naald in een hooiberg: er zijn in theorie duizenden combinaties mogelijk. Daarom trainde het team ook een zelflerend computermodel op de meetgegevens uit hun experimenten. Het idee is dat zo'n model straks kan voorspellen welke materiaalcombinatie het best presteert, nog voordat die daadwerkelijk in een laboratorium wordt gemaakt en getest. Dat zou het dure en tijdrovende experimenteerwerk flink kunnen versnellen.
De huidige dataset van 28 materialen is volgens de onderzoekers nog te klein om betrouwbare voorspellingen te doen. Ze zien hun werk dan ook als een eerste stap: hoe meer materialen er worden toegevoegd aan de bibliotheek, hoe beter het model wordt. Co-auteur Eden Marks, promovendus ruimtevaarttechniek, zegt dat kleine aanpassingen in de samenstelling grote verschillen maken in hoe een batterij presteert op het gebied van energieopslag, snelheid en levensduur. Door die verbanden in kaart te brengen, weten onderzoekers beter waar ze vervolgens moeten zoeken. De studie is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Journal of Materials Chemistry.
Achtergrond & begrippen
Wat betekent dit voor de toekomst? Natrium-ionbatterijen kunnen op termijn een goedkoper en minder conflictgevoelig alternatief worden voor lithium-ionbatterijen, bijvoorbeeld voor thuisbatterijen en elektrische auto's. Door materiaaldata te combineren met kunstmatige intelligentie, kunnen onderzoekers in de toekomst sneller nieuwe batterijmaterialen ontdekken zonder eindeloos te hoeven experimenteren in het lab.
- Natrium-ionbatterij
- Een oplaadbare batterij die, net als een lithium-ionbatterij, werkt met ionen die heen en weer bewegen tussen de twee polen, maar dan op basis van natrium in plaats van lithium.
- Kathode
- Een van de twee elektroden in een batterij; het materiaal waaruit de kathode bestaat bepaalt grotendeels hoeveel energie een batterij kan opslaan en hoe snel dat gebeurt.
- Natrium-mangaanoxide
- Een veelgebruikte basisstof voor kathodes in natrium-ionbatterijen, opgebouwd uit natrium, mangaan en zuurstof.
- Cyclusstabiliteit
- De mate waarin een batterij zijn prestaties behoudt na veel keren opladen en ontladen; een hoge cyclusstabiliteit betekent een langere levensduur.
- Capaciteitsbehoud
- Het percentage van de oorspronkelijke opslagcapaciteit dat een batterij nog heeft na een bepaald aantal laadcycli.
- Machine learning
- Een vorm van kunstmatige intelligentie waarbij een computermodel patronen leert herkennen in bestaande data, om op basis daarvan voorspellingen te doen over nieuwe, nog ongeteste situaties.
Bronnen
Dit artikel is met behulp van AI geschreven op basis van bovenstaande bronnen en is geen letterlijke vertaling. Zo werkt onze redactie.
