‘Onderzoek naar batterijen veelbelovend, maar nog lange weg te gaan’

Het belangrijkste verschil tussen de eerste commerciële lithium-ionbatterij die in 1995 werd geproduceerd en de allernieuwste batterijen is de samenstelling van de positieve elektrode. Dat is het enige echte verschil, stelde professor Marnix Wagemaker afgelopen week tijdens zijn inaugurele rede aan de TU Delft. Daarom moeten batterijonderzoekers hun aanpak kritisch bekijken, anders kunnen batterijen hun cruciale rol in de energietransitie niet vervullen.

Stationaire opslag
Batterijen zullen een sleutelrol spelen bij de transitie naar een duurzame-energietoekomst, doordat ze elektrisch vervoer en dagelijkse stationaire opslag van duurzame energie mogelijk maken. ‘Er zijn veel voorspellingen te vinden over de toenemende vraag naar batterijen’, zegt professor Wagemaker. ‘Maar het is simpeler om het globaal maar inzichtelijk te berekenen. Per persoon hebben we nu in onze tablet/laptop/telefoon enkele tientallen watturen energieopslag, maar een fatsoenlijke auto en een accu voor een huis zouden per persoon minstens 1.000 keer zoveel energie in batterijen vereisen.’

‘We hebben dus batterijen nodig die beter presteren en goedkoper en veiliger zijn’, vervolgt Wagemaker. ‘Er wordt enorm veel aan onderzoek en ontwikkeling gedaan om batterijen te verbeteren. Er werken tienduizenden onderzoekers aan, we zien talloze doorbraken, talloze materialen voor elektroden en elektrolyten, en naast lithium-ionen en protonen vinden we een aantal andere veelbelovende ladingdragers. Maar als we kijken wat het grootste verschil is tussen de eerste commerciële lithium-ionbatterij die in 1995 werd geproduceerd en de nieuwste batterijen, is dat de samenstelling van de positieve elektrode. Dat is het enige echte verschil. Dat is schokkend na de hoeveelheid onderzoek en ontwikkeling die erin is geïnvesteerd.’

Te sceptisch
‘Maar misschien ben ik nu te sceptisch over het vakgebied van de batterij’, vervolgt Wagemaker. ‘De energiedichtheid is immers meer dan verdubbeld en er zijn verschillende batterijen verschenen met een nieuwe chemische samenstelling; andere staan op het punt te verschijnen. Er zijn talloze interessante ontdekkingen die ons kunnen helpen om betere batterijen te ontwikkelen. Maar het is wel duidelijk dat er nog grote uitdagingen voor ons liggen en dat we onze methoden kritisch moeten evalueren. Iets wat ons belemmert, is dat de focus te veel op succes ligt, op het verklaren van de verbeteringen, terwijl er weinig aandacht is voor fundamenteel onderzoek naar faalmechanismen.’

Computermethoden
Door meer inzicht in batterijen maakt men volgens Wagemaker niet automatisch betere batterijen. Onderzoekers moeten op basis van de nieuwe inzichten ook daadwerkelijk betere materialen ontwikkelen: nieuwe materialen, met name voor het elektrolyt en de elektroden, en vooral nieuwe interfaces, aangezien die cruciaal zijn bij batterijen.

Wagemaker: ‘Er zijn steeds meer initiatieven om computermethoden te gebruiken bij het ontwerpen van nieuwe materialen en betere batterijen. Het belangrijkste voorbeeld hiervan is het Materials Project, dat een platform biedt waarmee het potentieel van nieuwe materialen voor batterijen snel kan worden beoordeeld. In Europa is er de ambitie om hier nog een stap verder in te gaan en ook artificiële intelligentie in te zetten om sneller materialen te ontdekken. Ik denk wel dat computermethoden steeds belangrijker zullen worden, maar geloof toch dat het cruciaal is dat we voortbouwen op de intuïtie en ervaring van materiaalwetenschappers.’