Ionengeleider: het materiaal dat batterijen moet ontdoen van hun vloeibare, brandbare kern
Een ionengeleider is een materiaal waar geladen deeltjes, ionen genoemd, doorheen kunnen bewegen, terwijl elektronen dat juist niet kunnen. Dat klinkt abstract, maar het principe zit al in elke batterij die je gebruikt. In een gewone accu zit een vloeibare stof, de elektrolyt, die als een soort verkeersader werkt: alleen ionen mogen erdoorheen rijden, elektronen worden gedwongen om een omweg te maken via de stroomkring buiten de batterij. Precies die omweg levert de elektrische stroom op die je telefoon of auto aandrijft. Een ionengeleider is dus eigenlijk een verkeersregelaar voor geladen deeltjes.
Het bijzondere waar de laatste jaren veel onderzoek naartoe gaat, is de vaste variant van dit materiaal: een ionengeleider die geen vloeistof of gel is, maar een hard, stevig materiaal, vergelijkbaar met een stukje keramiek of kristal. In het nieuws duikt de term meestal op in verband met zogeheten solid-state batterijen, accu's waarin de klassieke vloeibare, brandbare elektrolyt wordt vervangen door zo'n vaste ionengeleider. De belofte: veiliger, compacter en krachtiger batterijen voor bijvoorbeeld elektrische auto's. Of en wanneer die belofte wordt waargemaakt, is nog volop onderwerp van discussie in de wetenschap en de industrie.
Wat is het precies?
Om te begrijpen wat een ionengeleider zo bijzonder maakt, helpt het om het verschil met gewone geleiders te kennen. Metalen zoals koper geleiden stroom doordat elektronen vrij door het materiaal kunnen bewegen. In een ionengeleider gebeurt het tegenovergestelde: elektronen zitten muurvast, maar ionen, atomen of moleculen met een elektrische lading, kunnen zich wel verplaatsen. Dat maakt het materiaal tegelijk een elektrische isolator voor elektronen en een geleider voor ionen, een combinatie die essentieel is voor een batterij: je wilt dat de lading alleen via de externe stroomkring loopt, niet rechtstreeks dwars door de elektrolyt heen, want dan zou de batterij simpelweg kortsluiten.
In de klassieke lithium-ionbatterij is de elektrolyt een vloeistof waarin lithiumzouten zijn opgelost. De lithiumionen zwemmen letterlijk door die vloeistof van de ene elektrode naar de andere. Een vaste ionengeleider doet iets vergelijkbaars, maar dan in een star kristalrooster of een dicht netwerk van atomen. De ionen springen als het ware van het ene open plekje in het rooster naar het volgende, een proces dat onderzoekers 'hopping' noemen. Hoe makkelijker die sprongen verlopen, hoe hoger de zogeheten ionische geleidbaarheid, de belangrijkste maatstaf voor hoe goed zo'n materiaal werkt.
Er bestaan grofweg drie families vaste ionengeleiders voor lithiumbatterijen. Oxidekeramieken, zoals lithium-lanthaan-zirkoniumoxide (afgekort LLZO), zijn chemisch stabiel maar broos en lastig in dunne, defectvrije laagjes te verwerken. Sulfidematerialen, zoals verbindingen met de formule Li10GeP2S12 (LGPS), geleiden ionen bijzonder goed, soms bijna net zo goed als een vloeistof, maar reageren bij blootstelling aan lucht met vocht tot het giftige gas waterstofsulfide, wat productie en gebruik lastiger maakt. Polymere ionengeleiders, flexibele kunststoffen doorspekt met lithiumzouten, zijn makkelijker te verwerken maar geleiden bij kamertemperatuur meestal minder goed en moeten vaak worden opgewarmd om goed te functioneren. Los van lithium bestaan er ook ionengeleiders voor andere ionen: in brandstofcellen van het type solid oxide fuel cell (SOFC) geleidt een keramiek van yttrium-gestabiliseerd zirkoniumoxide (YSZ) zuurstofionen, bij hoge temperaturen van zo'n 700 tot 1000 graden Celsius.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer achter het onderzoek naar vaste ionengeleiders is veiligheid. De vloeibare elektrolyten in huidige lithium-ionbatterijen zijn organische oplosmiddelen die brandbaar zijn; bij beschadiging, oververhitting of interne kortsluiting kan een batterij in brand vliegen of zelfs exploderen, een fenomeen dat bekendstaat als thermal runaway. Een vaste, niet-brandbare ionengeleider zou dat risico in theorie sterk verkleinen.
Een tweede motivatie is energiedichtheid, oftewel hoeveel energie er in een bepaald volume of gewicht past. Met een vaste elektrolyt hopen ingenieurs de negatieve elektrode (anode) van grafiet te kunnen vervangen door puur lithiummetaal, dat veel meer lading per kilo kan opslaan. Bij vloeibare elektrolyten leidt lithiummetaal echter tot de vorming van dendrieten, naaldachtige uitgroeisels die dwars door de batterij kunnen prikken en kortsluiting veroorzaken. Een stevige, vaste ionengeleider zou die naaldjes mechanisch moeten tegenhouden, al blijkt in de praktijk dat dendrieten ook door vaste materialen heen kunnen kruipen, via microscheurtjes en korrelgrenzen in het kristal. Dat is een van de redenen waarom dit probleem hardnekkiger is gebleken dan aanvankelijk gehoopt.
Daarnaast hopen fabrikanten op snellere oplaadtijden en een langere levensduur, doordat een goed ontworpen vaste ionengeleider minder degradeert bij herhaald op- en ontladen. Bij brandstofcellen met zuurstofionengeleiders is het doel weer anders: daar wil men elektriciteit opwekken uit waterstof of aardgas zonder verbranding, met een hoog rendement en weinig uitstoot.
Voorbeelden uit de praktijk
Een aantal concrete projecten laat zien hoe ver het onderzoek inmiddels is gevorderd. Toyota maakte in oktober 2023 bekend samen te werken met de Japanse energiemaatschappij Idemitsu Kosan om sulfidegebaseerde vaste ionengeleiders op industriële schaal te gaan produceren, met als doel praktische toepassing in elektrische auto's rond 2027-2028.
Het Amerikaanse bedrijf QuantumScape, financieel gesteund door Volkswagen, ontwikkelt een keramische, granaatachtige separator die tegelijk als vaste ionengeleider dient. Het bedrijf leverde de afgelopen jaren testcellen aan verschillende autofabrikanten voor evaluatie, al zijn de exacte prestaties in onafhankelijke tests nog altijd beperkt gepubliceerd.
Samsung SDI opende in 2023 een proeflijn in het Zuid-Koreaanse Suwon om solid-state batterijen op kleine schaal te produceren, met massaproductie als ambitie rond 2027. Het Taiwanese ProLogium werkt samen met Mercedes-Benz en demonstreerde een solid-state accu in een testvoertuig. Het Chinese CATL, 's werelds grootste batterijproducent, presenteerde in 2023 een zogeheten condensed matter battery, een tussenvorm met deels vaste, deels vloeibare elektrolyt, gericht op onder meer toepassingen in de luchtvaart.
Buiten de batterijwereld is er al veel langer praktijkervaring: dunnefilm-ionengeleiders van lithium-fosfor-oxynitride (LiPON), ontwikkeld door onderzoekers van het Amerikaanse Oak Ridge National Laboratory in de jaren negentig, worden al decennia gebruikt in kleine microbatterijen, bijvoorbeeld in medische implantaten.
Hoe ver is de techniek?
De ontwikkelstatus verschilt sterk per toepassing. Zuurstofionengeleiders in brandstofcellen zijn een volwassen, commercieel bewezen technologie; bedrijven als Bloom Energy zetten SOFC-systemen al jaren in voor stationaire stroomvoorziening. Kleinschalige lithium-ionengeleiders in dunne filmlaagjes, zoals LiPON, zijn eveneens al langer in gebruik, maar dan voor batterijen met een beperkte capaciteit.
De grote uitdaging ligt bij vaste ionengeleiders voor volwaardige, grootschalige autobatterijen. Daar spelen meerdere hardnekkige problemen. Ten eerste het grensvlakprobleem: waar een vloeistof zich vanzelf aanpast aan de ruwe oppervlakken van de elektroden, ontstaan tussen twee vaste materialen al snel microscopische gaatjes en spleten, wat de weerstand flink verhoogt. Ten tweede blijft dendriet-groei, ook door vaste materialen heen, een lastig op te lossen kwestie. Ten derde is opschalen van laboratoriumresultaten naar betaalbare, foutloze productie op industriële schaal een aanzienlijke technische en financiële hindernis, zeker voor sulfidematerialen die zorgvuldig vochtvrij verwerkt moeten worden vanwege de giftige gasvorming.
Het is verder eerlijk om te vermelden dat de solid-state batterij al ruim een decennium regelmatig wordt aangekondigd als 'vijf tot tien jaar verwijderd van de markt', zonder dat dit tot nu toe tot grootschalige commerciële toepassing in auto's heeft geleid. De meeste grote spelers mikken inmiddels op een introductie ergens tussen 2027 en de vroege jaren 2030, maar eerdere deadlines zijn herhaaldelijk opgeschoven, dus enige voorzichtigheid bij dergelijke tijdspaden is op zijn plaats.
Wie werken eraan?
Japan speelt van oudsher een voortrekkersrol, met Toyota als houder van veel patenten op dit gebied, aangevuld door partners zoals Idemitsu Kosan en Panasonic, mede gesteund door de Japanse overheid. Zuid-Korea zet zwaar in via Samsung SDI, LG Energy Solution en SK On. China laat via CATL en met stevige staatssteun zien serieus te concurreren op dit terrein.
In de Verenigde Staten combineren startups als QuantumScape en Solid Power, het laatste gesteund door BMW en Ford, fundamenteel onderzoek met commerciële ambities, terwijl nationale laboratoria als Oak Ridge, Argonne en het Lawrence Berkeley National Laboratory al decennia bijdragen aan het materiaalonderzoek. Taiwan levert met ProLogium, in samenwerking met Mercedes-Benz, eveneens een belangrijke speler. In Europa richten instituten als het Duitse Fraunhofer-instituut en het Franse CEA zich op materiaalontwikkeling en productieprocessen, vaak met steun van nationale en Europese innovatiefondsen, omdat de technologie als strategisch belangrijk wordt gezien voor de energietransitie en de autonomie van de batterijindustrie.