Polymeer-elektrolyt: de sleutel tot veiligere en dichtere batterijen?
Een polymeer-elektrolyt is een vaste, rubberachtige of kunststofachtige laag in een batterij die de functie overneemt van de vloeibare, vaak brandbare vloeistof die normaal tussen de twee elektroden zit. Die vloeistof, de elektrolyt, zorgt ervoor dat geladen deeltjes (ionen) van de ene naar de andere elektrode kunnen bewegen terwijl de batterij wordt opgeladen of ontladen. Een polymeer-elektrolyt doet hetzelfde werk, maar dan in vaste vorm.
Denk aan het verschil tussen een spons vol water en een stevige gel. Beide kunnen vocht vasthouden en doorgeven, maar de gel lekt niet als je hem doorprikt of kantelt. Zo ongeveer verhoudt een polymeer-elektrolyt zich tot de vloeibare elektrolyt in een gewone lithium-ionbatterij: hij geleidt ionen, maar zonder de risico's van een lekkende of ontvlambare vloeistof. Dat maakt polymeer-elektrolyten een belangrijk onderdeel van de zoektocht naar veiligere en compactere batterijen, al is die belofte nog niet overal even ver ingelost.
Wat is het precies?
In elke oplaadbare batterij bewegen ionen — in dit geval lithium-ionen — heen en weer tussen de positieve en negatieve elektrode. De elektrolyt is het medium waardoorheen die ionen reizen, terwijl elektronen via de buitenste stroomkring lopen. In de meeste hedendaagse lithium-ionbatterijen, zoals die in smartphones en elektrische auto's, is die elektrolyt een vloeistof: een oplosmiddel met daarin opgelost lithiumzout.
Een polymeer-elektrolyt vervangt die vloeistof door een vast, flexibel materiaal: een lange keten van herhalende moleculen (een polymeer, vergelijkbaar met de bouwstenen van plastic) waarin lithiumzout is opgenomen. Een veelgebruikte basis is PEO, polyethyleenoxide, een polymeer dat van nature goed lithiumionen kan vasthouden en doorgeven dankzij zuurstofatomen in zijn ketenstructuur die als een soort estafettestokjes fungeren.
Het probleem is dat die ionen bij kamertemperatuur maar traag door zo'n vaste polymeer-matrix bewegen, veel trager dan door een vloeistof. Verwarm je het polymeer tot 60 Ã 80 graden Celsius, dan gaan de ketens flexibeler bewegen en verbetert de ionengeleiding aanzienlijk. Dat verklaart waarom veel bestaande polymeer-elektrolytbatterijen alleen goed functioneren bij verhoogde temperatuur, wat in de praktijk extra verwarmingssystemen vereist.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is veiligheid. Vloeibare elektrolyten in gangbare lithium-ionbatterijen zijn vaak ontvlambaar; bij beschadiging, kortsluiting of oververhitting kan dit leiden tot brand (de bekende "thermal runaway"). Een vaste polymeer-elektrolyt is niet vluchtig en niet lekkend, wat het risico op dat soort incidenten in theorie sterk vermindert.
Daarnaast hoopt men op hogere energiedichtheid: meer energie opgeslagen per kilogram of per liter batterij. Een vaste elektrolyt kan namelijk het gebruik van een lithium-metaalanode mogelijk maken in plaats van de gangbare grafietanode. Lithium-metaal kan aanzienlijk meer energie opslaan, maar reageert onvoorspelbaar en soms gevaarlijk met vloeibare elektrolyten. Een stevige vaste laag kan dat proces beter onder controle houden.
Tot slot streeft men naar dunnere en lichtere cellen. Omdat een vaste polymeer-elektrolyt zelf ook als scheidingslaag (separator) kan dienen, vervalt de noodzaak van een apart poreus membraan, wat ruimte en gewicht bespaart.
Voorbeelden uit de praktijk
De geschiedenis van polymeer-elektrolyten begint bij natuurkundige John Goodenough en collega's, die eind jaren zeventig en in de jaren tachtig baanbrekend onderzoek deden naar vaste polymeer-elektrolyten als alternatief voor vloeibare systemen. Dat werk legde mede de basis voor de latere ontwikkeling van de lithium-ionbatterij, waarvoor Goodenough in 2019 de Nobelprijs voor Scheikunde ontving.
Een van de weinige bedrijven die polymeer-elektrolyttechnologie daadwerkelijk commercieel heeft ingezet, is het Franse Blue Solutions, een dochteronderneming van de Bolloré Groep. Hun Lithium Metal Polymer-technologie (LMP) wordt sinds 2011 gebruikt in de elektrische deelauto's van Autolib in Parijs (de Bluecar) en later ook in elektrische bussen (Bluebus). Deze batterijen combineren een lithium-metaalanode met een op PEO gebaseerde vaste polymeer-elektrolyt.
In Taiwan werkt ProLogium sinds de jaren 2010 aan een hybride elektrolyt die polymeer combineert met keramische deeltjes, met als doel de nadelen van beide materialen (trage geleiding bij polymeer, brosheid bij keramiek) te compenseren. Het bedrijf kondigde in 2023 investeringen aan om een productiefaciliteit in Frankrijk te bouwen.
Op onderzoeksniveau doen het Franse CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique) en het Duitse Fraunhofer-Institut al jaren fundamenteel werk aan nieuwe polymeer- en composietelektrolyten, vaak in samenwerking met universiteiten en batterijfabrikanten, gericht op het verbeteren van de ionengeleiding bij kamertemperatuur.
Hoe ver is de techniek?
De LMP-technologie van Blue Solutions is het duidelijkste voorbeeld van een polymeer-elektrolytbatterij die daadwerkelijk in commerciële voertuigen rijdt, maar de toepassing blijft beperkt tot specifieke niches zoals deelauto's en bussen met vaste laadpunten. De reden: de batterij moet continu op temperatuur (rond 60-80°C) worden gehouden om goed te functioneren, wat energie kost en de inzetbaarheid in gewone consumentenauto's, die niet altijd aangesloten staan, bemoeilijkt.
Voor bredere toepassing, met name in vaste-stofbatterijen voor consumentenelektronica en personenauto's die wél bij kamertemperatuur moeten werken, zijn er nog forse technische obstakels. Zuivere polymeer-elektrolyten geleiden bij kamertemperatuur simpelweg te traag. Daarnaast kunnen zich bij herhaald op- en ontladen kleine metalen uitgroeisels vormen op de lithium-metaalanode, dendrieten
Om deze problemen aan te pakken, richt veel actueel onderzoek zich op composiet- of hybride-elektrolyten: mengsels van polymeer met keramische deeltjes of vloeibare additieven, die de mechanische flexibiliteit van polymeer combineren met de betere ionengeleiding van keramiek. Deze aanpak staat nog grotendeels in de onderzoeks- en pilotfase; grootschalige, betaalbare productie voor consumentenauto's wordt door de meeste analisten niet eerder dan het einde van dit decennium verwacht, en zelfs die inschatting is onzeker gezien eerdere vertragingen in de sector.
Wie werken eraan?
Naast Blue Solutions (Frankrijk) en ProLogium (Taiwan) investeren grote batterijfabrikanten als Toyota (Japan), Samsung SDI en LG Energy Solution (beide Zuid-Korea) aanzienlijk in vaste-stofbatterijen, waarbij polymeer- en polymeer-keramiek-hybride-elektrolyten een van de onderzochte routes vormen naast puur keramische varianten. Het Amerikaanse QuantumScape richt zich vooral op een keramische separator, maar ook zij experimenteren met polymeercomponenten in hun celontwerp.
Op onderzoeksgebied spelen het Franse CNRS, het Duitse Fraunhofer-Institut en Amerikaanse universiteiten zoals MIT een belangrijke rol in het fundamentele materiaalonderzoek. Landen als Frankrijk, Taiwan, Japan, Zuid-Korea, Duitsland en de Verenigde Staten investeren, vaak met overheidssteun, fors in batterij-innovatie, mede omdat vaste-stoftechnologie wordt gezien als strategisch belangrijk voor de elektrificatie van transport.