Lithium-zuurstofbatterij: de belofte van een batterij die 'ademt'
Stel je een batterij voor die niet al haar bouwstoffen zelf hoeft mee te dragen, maar een deel daarvan gewoon uit de lucht om haar heen haalt — zoals een mens die ademt. Dat is in essentie het idee achter de lithium-zuurstofbatterij. In plaats van een zware, vaste stof als kathodemateriaal te gebruiken, zoals gewone lithium-ionbatterijen doen, reageert het lithium in deze batterij met zuurstof die van buitenaf de cel binnenstroomt. Omdat die zuurstof niet hoeft te worden meegezeuld, kan de batterij in theorie veel lichter zijn per hoeveelheid opgeslagen energie.
Dat gewichtsvoordeel is precies waarom onderzoekers al meer dan vijftien jaar naar deze technologie kijken. Een gangbare lithium-ionbatterij, zoals die in een elektrische auto of laptop zit, kan in theorie nooit veel lichter worden dan hij nu is: alle chemische bouwstenen zitten er al in opgesloten. De lithium-zuurstofbatterij belooft, althans op papier, een energiedichtheid die in de buurt komt van benzine per kilogram — een orde van grootte meer dan wat lithium-ion vandaag haalt. Die belofte heeft de technologie de bijnaam 'heilige graal van batterijen' opgeleverd, al is de weg ernaartoe allesbehalve rimpelloos.
Wat is het precies?
Een lithium-zuurstofbatterij, ook wel lithium-luchtbatterij genoemd, bestaat grofweg uit drie onderdelen: een anode van puur lithiummetaal, een elektrolyt die lithiumionen kan geleiden, en een poreuze kathode van koolstof die openstaat naar de buitenlucht of naar een zuurstoftank. Bij het ontladen — dus wanneer de batterij stroom levert — laten lithiumatomen aan de anode een elektron los en reizen als lithiumion door de elektrolyt naar de kathode. Daar ontmoeten ze zuurstofmoleculen die via de poriën zijn binnengekomen, en samen vormen ze lithiumperoxide (Li2O2), een vaste stof die zich in de poreuze kathode afzet.
Bij het opladen moet dat proces worden omgekeerd: het lithiumperoxide moet weer uiteenvallen in lithiumionen en zuurstofgas, dat de cel verlaat. In theorie is dat een simpel, omkeerbaar systeem. In de praktijk is het dat allerminst. Lithiumperoxide is namelijk een slecht geleidende, moeilijk oplosbare vaste stof die de poriën van de kathode geleidelijk verstopt, wat het opladen bemoeilijkt en de cel na verloop van tijd blokkeert.
Een cruciaal en vaak onderbelicht detail: de meeste laboratoriumexperimenten gebruiken geen gewone omgevingslucht, maar zuivere zuurstof uit een fles. Echte lucht bevat namelijk ook waterdamp en kooldioxide (CO2), die ongewenste nevenreacties veroorzaken — CO2 reageert bijvoorbeeld met lithium tot lithiumcarbonaat, een stof die nauwelijks meer terug te draaien is. Een echte 'lithium-luchtbatterij' die zomaar buitenlucht kan verwerken, bestaat in de praktijk dus nog nauwelijks; de term 'lithium-zuurstofbatterij' dekt de huidige onderzoeksstand beter.
Wat wil men ermee bereiken?
De drijfveer achter dit onderzoek is simpel: gewicht. Overal waar gewicht de doorslaggevende factor is, zou een batterij met veel meer energie per kilogram een sprong vooruit betekenen. Denk aan elektrische vliegtuigen en eVTOL's (elektrisch opstijgende en landende luchtvoertuigen, vaak 'vliegende taxi's' genoemd), waarbij elke kilo extra gewicht direct ten koste gaat van bereik en laadvermogen. Ook voor elektrische auto's met een zeer lange actieradius, of voor toepassingen waarbij batterijen niet vaak bijgevuld kunnen worden, is een hogere energiedichtheid aantrekkelijk.
Daarnaast is er een wetenschappelijke drijfveer: begrijpen hoe ver de chemie van metaal-luchtbatterijen kan worden opgerekt, is fundamenteel onderzoek dat ook kennis oplevert voor verwante technologieën, zoals zink-luchtbatterijen of vaste-stofbatterijen. Het is dus zowel een toegepast als een fundamenteel wetenschappelijk streven.
Voorbeelden uit de praktijk
Een van de bekendste doorbraken kwam in 2015 van een onderzoeksgroep aan de University of Cambridge onder leiding van chemicus Clare Grey. In het tijdschrift Science publiceerden zij een lithium-zuurstofcel die, dankzij toevoegingen van lithiumjodide en een beetje water aan de elektrolyt, veel meer laad- en ontlaadcycli aankon dan eerdere ontwerpen en minder energie verspilde als warmte. Het was geen commercieel product, maar wel een belangrijk signaal dat de fundamentele problemen misschien oplosbaar waren.
In de Verenigde Staten startte IBM in 2009 het Battery 500 Project, met als doel een batterij te ontwikkelen die elektrische auto's vijfhonderd mijl (ruim achthonderd kilometer) op een lading zou laten rijden. Aanvankelijk gericht op lithium-lucht, verschoof de focus van dit consortium — dat sindsdien is voortgezet onder leiding van het Amerikaanse Argonne National Laboratory — gaandeweg deels naar lithium-metaalbatterijen zonder luchtcomponent, mede omdat de lithium-luchtroute weerbarstiger bleek dan gehoopt.
Het Amerikaanse bedrijf PolyPlus Battery Company werkt al sinds de jaren negentig aan beschermende keramische membranen rond lithiummetaal-anodes, een technologie die essentieel is om lithium veilig te laten reageren met vocht of zuurstof zonder dat de anode uiteenvalt of vlam vat. Hun werk wordt vaak genoemd als bouwsteen voor toekomstige lithium-luchtsystemen.
Ook Japanse instituten als het National Institute for Materials Science (NIMS) en autofabrikant Toyota hebben in de jaren 2010 onderzoek gepubliceerd naar katalysatoren die het opladen van lithium-zuurstofcellen efficiënter moeten maken, met wisselend succes op laboratoriumschaal.
Hoe ver is de techniek?
Lithium-zuurstofbatterijen bevinden zich nog stevig in de onderzoeksfase. Er bestaat geen enkel commercieel product op de markt, en ook geen aangekondigde fabriek die deze cellen op schaal gaat produceren — een groot verschil met bijvoorbeeld vaste-stofbatterijen, waarvoor sommige autofabrikanten al pilotlijnen bouwen. De meeste resultaten komen uit laboratoriumcellen die soms slechts een handvol keer, soms een paar honderd keer, betrouwbaar op te laden zijn voordat de kathode verstopt raakt of de lithium-anode instabiel wordt. Ter vergelijking: gangbare lithium-ionbatterijen in elektrische auto's halen probleemloos duizenden cycli.
De belangrijkste obstakels blijven hardnekkig. De lithium-metaalanode kan naaldachtige structuren vormen, dendrieten genoemd, die kortsluiting en brandgevaar veroorzaken. De vaste reactieproducten in de kathode zijn moeilijk te verwerken zonder de poriën te verstoppen. Het opladen kost door een hoge zogeheten overpotentiaal (het extra spanningsverlies dat nodig is om de reactie om te keren) relatief veel energie, wat de theoretische efficiëntie flink drukt. En zolang cellen niet tegen gewone, vochtige en CO2-houdende buitenlucht kunnen, is er eigenlijk nog geen echte 'luchtbatterij', maar een zuurstofbatterij die een aparte zuurstofvoorziening nodig heeft — wat weer extra gewicht en complexiteit toevoegt en het gewichtsvoordeel deels tenietdoet.
Door deze stapeling van problemen schatten de meeste experts dat commerciële toepassing, als die er al komt, nog zeker tien tot vijftien jaar op zich laat wachten. Sommige onderzoekers zijn voorzichtig positief over deelstappen, zoals betere katalysatoren of stabielere elektrolyten, maar niemand claimt op dit moment een doorbraak die alle problemen tegelijk oplost.
Wie werken eraan?
Het onderzoek is sterk academisch van aard en verspreid over meerdere landen. In het Verenigd Koninkrijk is de groep van Clare Grey aan de University of Cambridge toonaangevend. In de Verenigde Staten zijn het Argonne National Laboratory (onder het Amerikaanse ministerie van Energie) en instituten als MIT actief, naast gespecialiseerde bedrijven zoals PolyPlus Battery Company die zich toeleggen op beschermde lithium-anodes. In Japan doen NIMS en autofabrikant Toyota onderzoek naar katalysatoren en elektrolyten, terwijl ook diverse Chinese universiteiten en onderzoeksinstellingen in de afgelopen jaren publicaties op dit gebied hebben gepubliceerd. Grote batterijfabrikanten zoals CATL, LG Energy Solution en Panasonic richten hun commerciële productie vooralsnog vrijwel volledig op lithium-ion en, in toenemende mate, vaste-stofbatterijen; lithium-zuurstof blijft voor hen tot nu toe vooral een onderwerp van verkennend onderzoek.