Batterijbindmiddel: de onzichtbare lijm die een batterij laat werken
Een batterijbindmiddel is een stofje dat je nooit ziet als je een accu gebruikt, maar zonder dat stofje zou die accu binnen enkele keren opladen al kapot zijn. Het is een soort polymeerlijm die de actieve deeltjes in een batterij-elektrode aan elkaar plakt en vastzet aan het metalen draagvlak waarop ze zitten. Vergelijk het met beton: het zand en grind (de actieve stof die energie opslaat) geven het materiaal zijn functie, maar zonder cement (het bindmiddel) valt alles na de eerste klap uiteen.
In een lithium-ion batterij bestaat elke elektrode uit een dun laagje poeder dat op een metalen foliestrookje is aangebracht, een beetje zoals beleg op een cracker. Dat poeder bestaat voor het grootste deel uit het materiaal dat lithium-ionen opslaat, aangevuld met een beetje koolstof voor de elektrische geleiding en, als derde en kleinste ingrediënt, het bindmiddel. Dat bindmiddel maakt vaak maar een paar procent van het gewicht uit, maar bepaalt in grote mate hoe lang een batterij meegaat, hoe snel hij kan opladen en hoe veilig hij is.
Wat is het precies?
Om een elektrode te maken, mengen fabrikanten drie ingrediënten tot een dikke, verfachtige pasta: het actieve materiaal (bijvoorbeeld grafiet voor de negatieve elektrode, of een lithium-metaaloxide voor de positieve), een geleidend koolstofpoeder, en het bindmiddel, opgelost in een vloeistof. Die pasta wordt in een dun, gelijkmatig laagje uitgesmeerd over een metalen foliestrook (koper voor de negatieve, aluminium voor de positieve elektrode), waarna de vloeistof wordt weggedampt in een droogoven. Wat overblijft is een vast, poreus laagje dat strak aan de folie vastzit.
Het bindmiddel moet daarbij twee dingen tegelijk doen. Het moet de losse poederdeeltjes aan elkaar plakken (cohesie), en het moet dat hele laagje aan het metalen folie vastplakken (adhesie). Daarnaast moet het bestand zijn tegen het agressieve chemische milieu binnen een batterij, waarin spanning en elektrolytvloeistof de meeste gewone lijmen en kunststoffen zouden afbreken.
Het meest gebruikte bindmiddel is al decennialang PVDF (polyvinylideenfluoride), een fluorhoudende kunststof die wordt opgelost in het oplosmiddel NMP (N-methylpyrrolidon). PVDF is chemisch zeer stabiel, maar NMP is een giftig en relatief duur oplosmiddel dat na het drogen moet worden opgevangen en gerecycled, wat de productie complex en kostbaar maakt. Voor de negatieve elektrode, die meestal uit grafiet bestaat, gebruikt de industrie vaak een goedkoper en milieuvriendelijker alternatief: een mengsel van CMC (carboxymethylcellulose, een afgeleide van plantaardige cellulose) en SBR (styreen-butadieenrubber), beide opgelost in gewoon water in plaats van NMP.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer achter onderzoek naar nieuwe bindmiddelen is levensduur. Elke keer dat een batterij oplaadt en ontlaadt, zetten de actieve deeltjes lichtjes uit en krimpen ze weer. Bij gewoon grafiet is dat effect klein, maar bij veelbelovende nieuwe materialen zoals silicium is het enorm: siliciumdeeltjes kunnen tijdens het opladen wel driehonderd procent in volume toenemen. Een stijf bindmiddel zoals klassiek PVDF barst daardoor binnen enkele cycli, waarna deeltjes los raken en de batterijcapaciteit snel afneemt. Dat is precies waarom silicium, ondanks zijn aantrekkelijke eigenschap om veel meer lithium op te slaan dan grafiet, nog altijd maar in kleine hoeveelheden in commerciële batterijen wordt gebruikt.
Een tweede doel is kosten en milieu-impact verlagen. Het oplosmiddel NMP is duur, giftig bij inademing en moet met speciale apparatuur worden terugwonnen, wat energie en investeringen kost. Een batterij-industrie die wereldwijd enorm snel groeit, zoekt daarom naar bindmiddelen die met water verwerkt kunnen worden, of zelfs helemaal zonder oplosmiddel, in een zogenoemd droog proces.
Een derde, meer recente drijfveer is regelgeving rond PFAS: een grote groep moeilijk afbreekbare fluorverbindingen waartoe ook PVDF-achtige fluorpolymeren worden gerekend. Europese autoriteiten hebben voorstellen ingediend om PFAS-stoffen breed te beperken vanwege hun persistentie in het milieu. Mocht dat ook voor batterijbindmiddelen gaan gelden, dan moet de industrie op zoek naar PFAS-vrije alternatieven, wat extra onderzoek stimuleert.
Voorbeelden uit de praktijk
Het klassieke PVDF/NMP-systeem wordt industrieel geleverd door grote chemieconcerns als Arkema (Frankrijk), Solvay (Belgisch-Italiaans) en Daikin (Japan), die al tientallen jaren fluorpolymeren voor batterijtoepassingen produceren.
Voor de water-gebaseerde CMC/SBR-bindmiddelen in grafietanodes zijn Japanse bedrijven als Zeon Corporation en JSR Corporation belangrijke leveranciers; hun bindmiddelformules zijn de facto industriestandaard geworden in veel grafietanodes wereldwijd.
Op onderzoeksniveau is onder meer het werk van Gao Liu en collega's bij het Lawrence Berkeley National Laboratory in de Verenigde Staten bekend: zij ontwikkelden speciale, elektrisch geleidende en deels zelfherstellende polymeerbindmiddelen die bedoeld zijn om de grote volumeveranderingen van silicium- en zwavelelektrodes beter op te vangen. Dergelijk werk bouwt voort op polymeren als polyacrylzuur (PAA) en alginaat, een natuurlijk polymeer uit zeewier, die elastischer zijn dan klassiek PVDF.
Op fabrieksniveau experimenteert Tesla al enkele jaren met een zogeheten droog-elektrodeproces voor zijn 4680-batterijcellen, aangekondigd tijdens het Battery Day-evenement in 2020. Daarbij wordt het bindmiddel niet opgelost in een vloeistof, maar mechanisch tot vezelachtige draden getrokken (fibrillatie) die het elektrodepoeder bij elkaar houden zonder dat er een oplosmiddel nodig is. Het idee is veelbelovend omdat het de dure NMP-droogstap overbodig maakt, maar er zijn berichten geweest dat het opschalen van dit proces, vooral voor de positieve elektrode, lastiger bleek dan verwacht.
Hoe ver is de techniek?
Voor de gangbare lithium-ion batterijen van vandaag, zoals die in elektrische auto's en consumentenelektronica, is het bindmiddelsysteem grotendeels uitontwikkeld en stabiel: PVDF/NMP voor de positieve elektrode en CMC/SBR-in-water voor de negatieve elektrode zijn al jaren de gevestigde standaard.
Voor volgende generaties batterijen ligt dat anders. Bindmiddelen die silicium-rijke of zelfs zuiver silicium-anodes echt praktisch bruikbaar maken, bestaan grotendeels nog in laboratoria en kleinschalige pilotlijnen; commerciële cellen bevatten doorgaans maar een beperkt percentage silicium, bijgemengd met grafiet, juist om het bindmiddelprobleem beheersbaar te houden. Hoe snel dat percentage omhoog kan, hangt sterk af van verder bindmiddelonderzoek.
Droge-elektrodeproductie, zoals Tesla nastreeft, is technisch aangetoond maar nog niet overal op grote schaal betrouwbaar gebleken; het blijft onduidelijk op welke termijn dit de natte, oplosmiddelgebaseerde productie breed zal vervangen. En de eventuele regelgeving rond PFAS bevindt zich nog in een politiek en juridisch traject, waarvan de uiteindelijke impact op PVDF-bindmiddelen nog niet vaststaat. Kortom: de basis is volwassen techniek, maar de randen van het vakgebied veranderen nog snel en met de nodige onzekerheid over tijdspaden.
Wie werken eraan?
De chemische industrie levert de bouwstenen: Arkema, Solvay en Daikin voor fluorpolymeer-bindmiddelen, en Zeon Corporation en JSR Corporation voor water-gebaseerde alternatieven. Daarnaast ontwikkelen batterijcelfabrikanten zelf ook interne bindmiddelformuleringen als onderdeel van hun bredere celontwikkeling, Tesla's droog-elektrodewerk is daarvan het meest publiek bekende voorbeeld.
Op onderzoeksniveau spelen Amerikaanse nationale laboratoria een grote rol, met name het Lawrence Berkeley National Laboratory, Argonne National Laboratory en Pacific Northwest National Laboratory, alle gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie (Department of Energy). Daarnaast doen universiteiten en onderzoeksinstituten in Japan, Zuid-Korea, China en Europa (waaronder Duitse instituten als Fraunhofer) onderzoek naar nieuwe bindmiddelen, vaak in combinatie met onderzoek naar silicium- of andere nieuwe elektrodematerialen. Geografisch zijn vooral de Verenigde Staten, Japan, Zuid-Korea en China dominant, met de Europese Unie die vooral via regelgeving (zoals de PFAS-discussie) en gerichte onderzoeksfinanciering invloed uitoefent.