Batterijen en accu’s zijn een belangrijk onderdeel van de energietransitie. De huidige lithium-ionbatterijen zijn alleen niet erg milieuvriendelijk en bovendien soms onveilig. Amerikaanse onderzoekers komen nu met een nieuw batterijmateriaal van een onverwachte, duurzame bron: bomen.
Het nieuwe materiaal bestaat uit zogeheten cellulose-nanofibrillen. Die worden uit hout gemaakt en gecombineerd met koper. Volgens de onderzoekers is dit materiaal veiliger dan wat in de huidige batterijen gebruikt wordt. Ondanks dat het van hout is, is het namelijk minder brandbaar dan de huidige materialen. Bovendien is het materiaal zeer goed in het geleiden van de lithiumionen die tijdens het op- en ontladen door de batterij stromen.
Vloeibaar en vast
De huidige lithium-ionbatterijen spelen een belangrijke rol in ons dagelijks leven. Je vindt ze terug in onder meer mobiele telefoons, laptops en auto’s. Ze bestaan uit een negatief geladen elektrode (anode) en een positief geladen elektrode (kathode) met daartussen een vloeibaar elektrolyt.
Bij het opladen van de batterij pomp je positief geladen lithiumionen van de kathode door het elektrolyt naar de anode. Daar combineren ze met elektronen tot ongeladen lithiumatomen. Als je de batterij aansluit, scheiden deze twee. De elektronen stromen buitenom, door je mobieltje of laptop, naar de kathode en voorzien zo je apparaat van stroom. Tegelijkertijd bewegen de lithiumionen in de batterij door het elektrolyt naar de kathode.
Dit systeem werkt meestal prima. Maar er is een risico. Er kunnen een soort uitlopers groeien in het vloeibare elektrolyt, tussen de anode en de kathode. Hierdoor kan er kortsluiting ontstaan en vliegt een batterij soms zelfs in brand.
Een oplossing is om het vloeibare elektrolyt te vervangen door een vaste stof waar de uitlopers niet doorheen kunnen dringen. Deze zogeheten solid-state-batterijen zijn veiliger. Maar het is lastig om hier een geschikt materiaal voor te vinden.
Milieuvriendelijk met koper
Cellulose-nanofibrillen, gemaakt van cellulose uit houtpulp, lijkt veelbelovend, vertelt Liangbing Hu, hoogleraar aan de universiteit van Maryland. Dit materiaal is net zo dun en flexibel als een velletje papier. Dat is een verbetering ten opzichte van de meeste keramische vastestofelektrolyten die dik en bros zijn.
Het flinterdunne materiaal is alleen van zichzelf een slechte ionengeleider. Dat veranderde echter toen Hu en zijn collega’s een klein beetje koper toevoegden. Cellulose-nanofibrillen bestaan uit lange ketens van moleculen. Het koper wringt zich tussen die ketens waardoor ze minder dicht op elkaar gepakt zitten. Dit creëert ruimte waar lithiumionen bijna ongehinderd doorheen kunnen sjezen. De onderzoekers demonstreren dat het materiaal dankzij deze lithiumion-snelwegen een uitstekend elektrolyt is.
‘Koper is niet zo duurzaam als cellulose’, geeft Hu toe. ‘Maar we gebruiken hooguit twee procent koper op een verder milieuvriendelijk en duurzaam materiaal.’
Deze ‘houten’ batterijen moeten nog verder ontwikkeld worden voor ze op de markt kunnen komen. Zo willen de onderzoekers het aantal keren dat deze batterijen kunnen op- en ontladen verhogen. Ook kijken ze naar snelladen, om zo de interesse te wekken van fabrikanten van elektrische auto’s. Hu: ‘We hopen te profiteren van de hoge ionische geleidbaarheid om batterijen te realiseren die je in twintig minuten volledig kunt opladen.’
