Universiteit Twente: nieuw materiaal anode vertienvoudigt laadsnelheid batterijen

De onderzoekers van het MESA+ Instituut stellen dat het nieuwe materiaal te gebruiken is zonder het risico dat het anodemateriaal schade oploopt en de batterij kapotgaat of minder lang meegaat.

Trade-off
Voordeel van het gebruik van nikkelniobaat is ook dat de fabricage weinig complex is. De onderzoekers hebben hun eerste ervaringen met accu’s met de nieuwe anode gepubliceerd in Advanced Energy Materials.

Gaat het over beter presterende batterijen – voor elektrisch vervoer of als buffer in het elektriciteitsnet – dan gaat het over sneller op- en ontladen, maar ook over een hogere energiedichtheid die leidt tot compactere en lichtere accu's. Vaak is het een ‘trade-off’ tussen het een en het ander. Dit dilemma is bijvoorbeeld te zien aan de steeds hogere snelheden bij laadstations aan de snelweg, die voor lang niet alle accu’s geschikt zijn. Wereldwijd is er een zoektocht naar nieuwe materialen, waarbij ook telt dat de productie van een accu nog een stuk duurzamer moet. Het nieuwe materiaal nikkelniobaat (NiNb2O6) blijkt heel aantrekkelijke eigenschappen te hebben en komt ook na vele keren ultrasnel laden gewoon weer terug op het oude niveau. Dit heeft onder meer te maken met de aantrekkelijke ‘open’ en regelmatige kristalstructuur: de kanaaltjes voor ladingtransport zijn identiek.

Grafiet
Dat betekent dat het voordelen heeft ten opzichte van het standaard-anodemateriaal grafiet. Ook dat is een ‘open’ materiaal, en eenvoudig te maken. Maar na een aantal keren te snel opgeladen, komt het niet meer terug op het oude niveau of gaat het zelfs kapot. In de zoektocht naar alternatieven wordt bijvoorbeeld, ook aan de Universiteit Twente, gekeken naar nano-gestructureerde materialen: een nadeel daarvan kan zijn dat die kanalen hebben die ongelijk van grootte zijn. Dit kan ook afzetting van lithium geven, met gaandeweg een teruggang in prestaties tot gevolg. Bovendien is het productieproces complex. Voor nikkelniobaat is geen complexe nanofabricage nodig.

Alternatief voor lithium
De snelheidsprestaties gaan echter wel ten koste van het gewicht, maar het is compacter dan grafiet en heeft dus een hogere ‘volumetrische’ energiedichtheid: in de huidige vorm, waarbij de onderzoekers echte accucellen met de nieuwe anode én verschillende kathodematerialen hebben onderzocht, is het type accu vooral gericht als onderdeel in het energienetwerk of als energiebron voor bijvoorbeeld vrachtauto’s. Toepassingen waarbij de laadsnelheid telt, maar ook de ontlaadsnelheid: snel heel veel stroom leveren en ook snel weer terug op niveau. Volgens onderzoeksleider professor Mark Huijben is het ook een interessante optie om, met de nieuwe anode, te kijken naar een alternatief voor lithium, zoals natrium. Hij verwacht dat het goed te combineren is met nikkelniobaat.