Magnesium-ionbatterij: de belofte van een veiliger en energiedichter alternatief voor lithium-ion
Een magnesium-ionbatterij is een oplaadbare batterij die, net als de bekende lithium-ionbatterij uit je telefoon of elektrische auto, energie opslaat door geladen deeltjes (ionen) heen en weer te laten bewegen tussen twee elektroden. Het verschil zit in welk element die lading vervoert: in plaats van lithium-ionen (Li⁺) gebruikt deze technologie magnesium-ionen (Mg²⁺). Dat klinkt als een kleine wijziging, maar heeft grote gevolgen voor hoe de batterij zich gedraagt.
Een handige analogie: zie een batterij als een pakketdienst tussen twee magazijnen. Bij lithium-ion rijdt elk vrachtwagentje (elk ion) met één pakketje lading. Magnesium-ionen zijn dubbel geladen, dus in theorie kan elk vrachtwagentje twee pakketjes tegelijk vervoeren. Dat zou moeten betekenen: minder vrachtwagens nodig voor dezelfde hoeveelheid energie, en dus mogelijk een compactere, energiedichtere batterij. Bovendien is magnesium een veelvoorkomend, goedkoop metaal, en vormt het geen scherpe naaldachtige uitgroeisels (dendrieten) zoals lithium soms doet — een belangrijke oorzaak van kortsluiting en brand in lithiumbatterijen. Toch staat deze technologie, ondanks ruim twee decennia onderzoek, nog altijd in het laboratorium en niet in de winkel.
Wat is het precies?
Een batterij bestaat grofweg uit drie onderdelen: een negatieve elektrode (anode), een positieve elektrode (kathode) en een elektrolyt, een vloeistof of gel waar de ionen doorheen bewegen. Tijdens het opladen bewegen de magnesiumionen van de kathode naar de anode; tijdens het gebruik van de batterij gaat die beweging andersom, en levert dat een elektrische stroom op via de aangesloten draden.
Bij een magnesium-ionbatterij is de anode meestal metallisch magnesium zelf. Dat is een voordeel: puur magnesiummetaal kan zonder extra structuurmateriaal fungeren als anode, wat in theorie ruimte en gewicht bespaart vergeleken met de grafietanodes van lithium-ionbatterijen.
Het lastige zit vooral aan de andere twee kanten. Ten eerste de elektrolyt: de meeste standaardvloeistoffen die goed werken voor lithium reageren met magnesium en vormen een isolerende laag op het metaaloppervlak (een zogeheten passiveringslaag). Die laag blokkeert het transport van ionen bijna volledig, waardoor de batterij niet meer oplaadt. Er bestaan speciale, magnesium-vriendelijke elektrolyten (vaak gebaseerd op zogeheten Grignard-verbindingen, een klasse chemische stoffen die ook in de organische chemie wordt gebruikt), maar die zijn vaak corrosief voor metalen onderdelen van de batterij of werken alleen bij een beperkt spanningsbereik.
Ten tweede de kathode: magnesium-ionen zijn dubbel geladen en relatief klein, waardoor ze een sterke elektrische aantrekkingskracht uitoefenen op hun omgeving. Dat maakt het voor Mg²⁺ moeilijk om snel en soepel door de kristalstructuur van een vast kathodemateriaal te bewegen — het proces verloopt in de praktijk traag en met verlies van capaciteit na herhaald gebruik. Onderzoekers zoeken daarom naar kathodematerialen die wél goed met magnesium overweg kunnen, zoals bepaalde sulfiden, oxiden of zogeheten Chevrel-fasen (een familie van moleculaire kooistructuren, vernoemd naar de Franse chemicus Roger Chevrel, met een open kristalrooster waar ionen relatief makkelijk doorheen kunnen bewegen).
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is een combinatie van veiligheid, kosten en energiedichtheid. Lithium-ionbatterijen hebben de wereld van draagbare elektronica en elektrisch vervoer mogelijk gemaakt, maar kennen ook bekende nadelen: lithium en kobalt zijn relatief schaars en geografisch geconcentreerd gewonnen, dendrietvorming kan tot brand leiden, en de energiedichtheid nadert langzaam een fysiek plafond bij de huidige materialen.
Magnesium is, in tegenstelling tot lithium, overvloedig aanwezig in de aardkorst en in zeewater, en relatief goedkoop te winnen. Als het lukt om een goed werkend kathode-elektrolyt-paar te vinden, zou een magnesium-ionbatterij in theorie een hogere volumetrische energiedichtheid (energie per liter) kunnen halen dan lithium-ion, puur omdat elk ion twee elektronen vertegenwoordigt in plaats van één, en omdat een dichte metallische magnesium-anode minder ruimte inneemt dan een grafietanode.
Daarnaast hopen onderzoekers op een intrinsiek veiligere batterij: zonder dendrietvorming zou het risico op inwendige kortsluiting en thermisch weglopen (het fenomeen waarbij een batterij zichzelf oververhit en in brand kan vliegen) kleiner worden. Dat zijn beloftes op basis van fundamentele scheikunde, geen gegarandeerde uitkomsten — de praktijk blijkt tot nu toe weerbarstiger dan de theorie.
Voorbeelden uit de praktijk
Het onderzoeksveld kent een aantal duidelijke mijlpalen en spelers, al is er tot op heden geen commercieel product op de markt.
- Aurbach-groep, Bar-Ilan University (Israël), 2000: scheikundige Doron Aurbach en collega's publiceerden in het vakblad Nature het eerste werkende prototype van een oplaadbare magnesiumbatterij, met een Chevrel-fase kathode (Mo₆S₈) en een op magnesium afgestemde elektrolyt. Dit wordt algemeen gezien als het startpunt van het moderne onderzoeksveld.
- Pellion Technologies (Massachusetts, VS, opgericht rond 2009): een startup die met steun van Amerikaanse defensie- en energie-innovatieprogramma's (DARPA/ARPA-E) probeerde magnesium-ionbatterijen geschikt te maken voor consumentenelektronica, met de belofte van een hogere energiedichtheid dan lithium-ion. Het bedrijf illustreert hoe moeilijk het is om labresultaten door te vertalen naar een commercieel product; een marktrijpe batterij is er nooit gekomen.
- Joint Center for Energy Storage Research (JCESR), Argonne National Laboratory (VS), actief van ongeveer 2012 tot 2018: dit door het Amerikaanse ministerie van Energie gefinancierde onderzoeksconsortium bracht tientallen universiteiten en nationale laboratoria samen om "post-lithium" batterijchemieën te onderzoeken, waaronder multivalente systemen op basis van magnesium, calcium en zink.
- Toyota (Japan): het autoconcern heeft in de jaren 2010 intern onderzoek gedaan naar magnesiumbatterijen als mogelijke toekomstige technologie voor elektrische voertuigen, met verschillende octrooiaanvragen op het gebied van elektrolyten en kathodematerialen. Dit onderzoek bevindt zich nadrukkelijk nog in een vroege, verkennende fase en heeft niet geleid tot een aangekondigd productieplan.
- Academisch onderzoek in Japan en elders: diverse universiteiten in Japan en Zuid-Korea publiceren doorlopend over nieuwe kathodematerialen en elektrolytformuleringen voor magnesiumbatterijen. Dit is verspreid, incrementeel labwerk zonder één dominant "vlaggenschipproject", en het tempo en de precieze resultaten van de meest recente jaren zijn voor een leek lastig te verifiëren zonder de actuele vakliteratuur te raadplegen.
Hoe ver is de techniek?
Magnesium-ionbatterijen bevinden zich, ruim twintig jaar na het eerste Nature-artikel van Aurbach, nog altijd overwegend in het laboratoriumstadium — ergens tussen fundamenteel onderzoek en vroege prototypeontwikkeling. Er is geen enkel commercieel verkrijgbaar product op basis van deze technologie, en analisten in de batterij-industrie noemen doorgaans geen concrete jaartallen voor marktintroductie, omdat de resterende obstakels fundamenteel van aard zijn en niet louter een kwestie van opschalen of engineering.
Het grootste knelpunt blijft het vinden van een combinatie van kathodemateriaal en elektrolyt die tegelijk (1) een hoge energiedichtheid haalt, (2) magnesiumionen snel genoeg laat bewegen voor praktisch bruikbare laad- en ontlaadsnelheden, (3) chemisch stabiel is over duizenden laadcycli, en (4) niet corrosief is voor de rest van de batterijconstructie. Tot nu toe is er geen materiaalcombinatie gevonden die op alle vier de punten tegelijk goed scoort — vaak gaat verbetering op het ene vlak (bijvoorbeeld energiedichtheid) ten koste van een ander vlak (bijvoorbeeld cyclusstabiliteit of laadsnelheid).
Vergeleken met andere "post-lithium" technologieën zoals natrium-ionbatterijen — die inmiddels wél in beperkte commerciële productie zijn, onder meer in China — loopt magnesium-ion duidelijk achter. Natriumionen gedragen zich chemisch veel meer als lithiumionen (beide zijn enkelvoudig geladen), waardoor bestaande kennis en fabricageprocessen makkelijker overdraagbaar waren. De dubbele lading van magnesium, die op papier een voordeel is voor energiedichtheid, is in de praktijk juist de belangrijkste bron van de technische problemen.
Wie werken eraan?
Het onderzoek naar magnesiumbatterijen is verspreid over academische groepen, nationale onderzoeksinstituten en, in mindere mate, industriële laboratoria, zonder dat één partij een duidelijke koppositie heeft zoals bijvoorbeeld CATL of BYD die hebben bij lithium- en natriumbatterijen.
In de Verenigde Staten speelde het Joint Center for Energy Storage Research bij Argonne National Laboratory een centrale rol in het bundelen van universitair onderzoek naar multivalente batterijen, met steun van het Amerikaanse ministerie van Energie. In Israël bouwde de groep van Doron Aurbach aan de Bar-Ilan University decennialang verder op het pionierswerk uit 2000. In Japan investeren zowel universiteiten (onder meer Kyoto University en Tokyo Institute of Technology worden regelmatig genoemd in de vakliteratuur) als autofabrikanten zoals Toyota in verkennend onderzoek, gedreven door Japans traditioneel sterke positie in batterijmaterialenonderzoek. Ook in Zuid-Korea en China lopen academische onderzoeksprogramma's, al is de omvang en het tempo daarvan voor buitenstaanders moeilijk goed in te schatten zonder toegang tot de recentste vakpublicaties.
Er is geen grote, toonaangevende batterijfabrikant bekend die op dit moment een concreet commercialiseringstraject voor magnesium-ionbatterijen heeft aangekondigd. Dat onderstreept dat dit vooralsnog vooral een onderzoeksveld is, geen industrie in wording.