Ontregelzout: Hoe het aanpakken van zuurstofmobiliteit leidde tot doorbraak in batterijtechnologie

De vraag naar batterijen groeit wereldwijd, gedreven door hun toenemende gebruik in de auto‑industrie, de groeiende populariteit van draagbare consumentenelektronica en strenge milieuregels. Als gevolg hiervan wordt verwacht dat de wereldwijde batterijenmarkt tegen 2036 $800 miljard zal bereiken, tegenover ongeveer $120 miljard in 2023.

In het licht van deze verwachte groei ontwikkelen en testen onderzoekers continu nieuwe materialen en chemicaliën om kritieke onderdelen van batterijen te verbeteren, die eigenschappen zoals energie‑output, energieopslag, vermogenscapaciteit en cyclische capaciteit beïnvloeden.

Deze componenten omvatten een kathode (positieve elektrode), een anode (negatieve elektrode), een elektrolyt (voor ionentransport tussen elektroden) en een separator.

De meeste apparaten die op batterijen werken, zoals elektrische voertuigen, smartphones en energieopslagsystemen, maken gebruik van lithium‑ionbatterijtechnologie. Lithium‑ionbatterijen kunnen een enorme hoeveelheid energie opslaan in compacte formaten, snel opladen en hebben een lange levensduur.

Echter, met de groeiende vraag naar batterijen met grotere mogelijkheden, worden nieuwe technologieën onderzocht en ontwikkeld om de efficiëntie te verbeteren, kosten te verlagen, de veiligheid te verhogen en duurzaamheid te bevorderen.

Door de jaren heen heeft continu onderzoek geleid tot vooruitgangen die veelbelovende alternatieven bieden voor lithium‑ion‑ en loodzuurbatterijen.

Natrium‑ionbatterijen bieden een betaalbaarder en veiliger alternatief dat beter presteert bij lagere temperaturen. Deze batterijen lijken op lithium‑ionbatterijen, maar gebruiken zoutwater als elektrolyt, waardoor ze geschikter zijn voor energieopslag, hoewel ze nog geoptimaliseerd moeten worden. Onderzoekers gebruiken zelfs elektrolytgel om nanodraden veerkrachtiger en geschikt voor batterijtoepassingen te maken.

Vaste‑stroombatterijen, aan de andere kant, gebruiken een vaste elektrolyt zoals glas, keramiek of polymeer in plaats van gel of vloeibare elektrolyt. Deze batterijen zijn veel efficiënter, wegen minder, laden sneller, en worden al gebruikt in smartphones en pacemakers. Toyota en BMW werken momenteel aan de lancering van auto’s met vaste‑stroombatterijen, hoewel dit nog enkele jaren zal duren.

Nieuwe batterijtechnologieën omvatten bovendien lithium‑zwavelbatterijen, die kostenefficiënt zijn maar een duurzaamheidslimiet hebben, en kobaltvrije lithium‑ionbatterijen, die kunnen helpen de mensenrechtenkwesties in kobaltwinning aan te pakken. Echter, alternatieven zoals TAQ zijn nog nieuw en hebben meer testen nodig.

Zinkgebaseerde batterijen worden ook onderzocht, met technologieën zoals zink‑mangaan‑dioxide, zink‑lucht, zink‑broom en zink‑ionbatterijen. Echter, ze zijn inefficiënt, omvatten soms onverwachte chemische conversiereacties, en zijn duur om te produceren, waardoor meer onderzoek nodig is.

Naarmate de wereld steeds meer afhankelijk wordt van batterijen, richten wetenschappers wereldwijd zich op het behalen van doorbraken in opslagduur, vermogensoutput, productiekosten en directe gereedheid.

Laatste Batterijdoorbraak: Rock Salt‑polyanion Kathodes 

Nieuw onderzoek heeft een vooruitgang geboekt in het verhogen van de praktische energiedichtheid van de batterij. Gepubliceerd in Nature Energy eind vorige maand, de studie getiteld “Integrated rocksalt–polyanion cathodes with excess lithium and stabilized cycling”, werd uitgevoerd door de MIT‑afdeling Nucleaire Wetenschap en Techniek.

De studie richt zich op een nieuw kathodemateriaal gevonden in ongeordend rock salt, dat al meer dan een decennium wordt bestudeerd als geavanceerd kathodemateriaal voor gebruik in lithium‑ionbatterijen.

MIT‑onderzoekers zorgden ervoor dat het materiaal hoge‑energie, goedkope opslag kan bieden voor elektrische voertuigen, mobiele telefoons en opslag van hernieuwbare energie.

Onder leiding van Ju Li, de professor van de Tokyo Electric Power Company in Nucleaire Technologie, ontdekte het team DRXPS, ofwel ongeordend rock salt‑polyanionisch spinel, als het nieuwe materiaal.

Deze nieuwe categorie gedeeltelijk ongeordende rock salt‑kathode, geïntegreerd met polyanionen, blijkt een hoge energiedichtheid bij hoge spanningen te leveren met verbeterde cyclische stabiliteit. Dit is een geweldige prestatie, gezien er meestal een afweging bestaat tussen energiedichtheid en cyclische stabiliteit in kathodematerialen.

“Met dit werk willen we de grenzen verleggen door nieuwe kathodchemieën te ontwerpen.”

– Yimeng Huang, de eerste auteur van het artikel, een postdoc bij de NSE

Hoe kan de nieuwe materiaalfamilie zowel een hoge energiedichtheid als een goede cyclische stabiliteit bereiken? Het antwoord ligt in de integratie van twee sleutel‑kathodematerialen — rock salt en polyanionisch olivijn. Door ze te combineren, kon men beide voordelen benutten.

Een ander element dat hier een rol speelt, is mangaan (Mn), een hard, zilverkleurig metaal dat overvloedig op aarde voorkomt en veel goedkoper is dan andere elementen die momenteel in hedendaagse kathodes worden gebruikt.

Zo is mangaan ongeveer dertig keer goedkoper dan kobalt (Co) en vijf keer goedkoper dan nikkel (Ni), die beide vaak in batterijen worden gebruikt. Bovendien speelt mangaan een cruciale rol bij het bereiken van hogere energiedichtheden.

“(Zo’n) materiaal dat veel meer aardrijk is, is een enorme voordeel.”

– Li, een professor in materiaalkunde en engineering

Dit voordeel, volgens de onderzoekers, is van grote waarde voor een koolstofvrije toekomst die een infrastructuur voor hernieuwbare energie vereist.

Batterijen kunnen een belangrijke rol spelen in deze transitie, met het potentieel om transport te decarboniseren via elektrische voertuigen en de intermitterende aard van zonne‑ en windenergie aan te pakken. Omdat deze hernieuwbare energiebronnen niet 24/7 beschikbaar zijn, is energieopslag essentieel om stroom te leveren tijdens momenten dat deze bronnen niet beschikbaar zijn, zoals ‘s nachts of op bewolkte en rustige dagen.

De onderzoekers wijzen ook op het feit dat materialen zoals kobalt en nikkel relatief zeldzaam en duur zijn. Het gebruik ervan om de elektrische opslagcapaciteit snel op te schalen kan leiden tot grote kostenpieken en mogelijk aanzienlijke tekorten aan materialen. Volgens Li:

“Als we een echte elektrificatie van energieopwekking, transport en meer willen, hebben we aardrijke batterijen nodig om intermitterende fotovoltaïsche en windenergie op te slaan. Ik denk dat dit een van de stappen naar die droom is.”

De Hindernis van Zuurstofmobiliteit in Huidige Materialen Overwinnen

Gefinancierd door het Honda Research Institute USA Inc. en de Molecular Foundry van het Lawrence Berkeley National Laboratory, ging de studie in op een van de belangrijkste uitdagingen waarmee ongeordende rock salt‑kathodes worden geconfronteerd.

Zoals eerder vermeld, is het materiaal bestudeerd vanwege zijn extreem hoge capaciteit. Vergeleken met traditionele kathodematerialen, die een capaciteit hebben tussen 190 en 200 milliampère‑uur per gram, biedt dit materiaal tot wel 350 milliampère‑uur per gram.

Echter, ondanks het bieden van zeer hoge capaciteit, is het materiaal niet erg stabiel. Dit komt gedeeltelijk door zuurstof‑redox, een proces waarbij elektrondichtheid rond zuurstofatomen in kathodematerialen wordt benut.

Zuurstof‑redox wordt geactiveerd wanneer de kathode tot hoge spanningen wordt opgeladen, waardoor zuurstof mobiel wordt, wat vervolgens leidt tot reacties met de elektrolyt en materiaaldegradatie. Dit maakt het materiaal na langdurige cycli nutteloos.

Om deze uitdagingen te overwinnen, introduceerden de onderzoekers een ander element in het materiaal: fosfor (P), een zacht, wasachtig vast materiaal dat fungeert als lijm, het zuurstof op zijn plaats houdt en materiaaldegradatie vermindert.

Maar alleen fosfor toevoegen is niet voldoende. Het juiste hoeveelheid fosfor is hier de belangrijkste innovatie. Het toevoegen van precies de juiste hoeveelheid P “vormde zogenaamde polyanionen met de aangrenzende zuurstofatomen in een kation‑arme rock salt‑structuur die ze kan verankeren,” stelde Li.

De sterke covalente binding tussen zuurstof en fosfor stelt de onderzoekers in staat het transport van zuurstof te stoppen. Op deze manier konden ze de door zuurstof bijgedragen capaciteit benutten en tegelijkertijd een goede stabiliteit bereiken.

Deze mogelijkheid om batterijen tot hogere spanningen op te laden is belangrijk omdat het eenvoudigere systemen mogelijk maakt om hun opgeslagen energie te beheren.

“Je kunt zeggen dat de kwaliteit van de energie hoger is. Hoe hoger de spanning per cel, hoe minder je ze in serie hoeft te schakelen in het batterijpakkets, en hoe eenvoudiger het batterijbeheersysteem wordt.”

– Li

Deze studie is slechts het begin, aangezien het team nu verschillende verhoudingen van mangaan, lithium, zuurstof en fosfor zal onderzoeken, evenals diverse combinaties van andere polyanion‑vormende elementen zoals silicium, zwavel en boor.

Vooruitkijkend zullen de onderzoekers ook nieuwe manieren onderzoeken om het materiaal te fabriceren, met een bijzondere focus op schaalbaarheid en morfologie. De huidige studie maakt gebruik van high‑energy ball milling voor mechanochemische synthese, wat leidt tot een niet‑uniforme morfologie en deeltjes van ongeveer 150 nanometer, een kleine gemiddelde grootte. Bovendien is hun huidige methode niet echt schaalbaar.

Dus proberen de onderzoekers nu alternatieve synthese‑methoden om een meer uniforme morfologie en grotere deeltjes te verkrijgen. Dit zou de volumetrische energiedichtheid van het materiaal kunnen verhogen en hen zelfs in staat kunnen stellen om coating‑methoden te proberen die de batterijprestaties kunnen verbeteren. Toekomstige methoden moeten ook industrieel schaalbaar zijn.

Een ander probleem is de geleidbaarheid, die werd verhoogd door een aanzienlijke hoeveelheid koolstof toe te voegen aan het ongeordende rock salt‑materiaal. In feite bestond koolstof uit 20 procent van het gewicht van de kathode‑pasta, aangezien het materiaal op zichzelf geen goede geleider is.

Dus, uiteraard zullen onderzoekers verder kijken naar het verminderen van het koolstofgehalte in de elektrode. Als ze dit kunnen bereiken zonder de batterijprestaties op te offeren, zouden ze de praktische energiedichtheid kunnen verhogen door een hoger gehalte aan actief materiaal in de batterij op te nemen.

Daartoe overwegen ze het gebruik van koolstofnanobuizen, die het koolstofgehalte tot slechts één of twee procent van het gewicht kunnen verlagen, waardoor een aanzienlijke toename van het actieve kathodemateriaal mogelijk is. De huidige studie gebruikte echter Super P, een geleidende koolstof bestaande uit nanosferen, die minder efficiënt is.

Een andere verbetering omvat het gebruik van dikke elektroden, wat de praktische energiedichtheid van de batterij verder zou verhogen.

Zodra het team de materiaalcompositie optimaliseert, dikkere elektroden ontwikkelt, een betere morfologie voor uniforme coatings bereikt, het koolstofgehalte verlaagt en schaalbare synthese‑methoden toepast, zien ze de DRXPS‑kathodefamilie als zeer veelbelovend voor toepassingen in elektrische voertuigen, netopslag en consumentenelektronica.

Bedrijven die Vooruitgang Boeken op het Gebied van Batterijen

Veel bedrijven helpen het vakgebied vooruit te brengen, en nog meer zullen profiteren van deze ontwikkelingen.

Umicore (UMICY) is een dergelijk bedrijf dat betrokken is bij batterijmaterialen, met name in kathodetechnologieën, met een focus op duurzame en geavanceerde materialen. Ondertussen is Lithium Americas Corp. (LAC ) (LAC) een lithiumleverancier, en Vale (VALE) een toonaangevende wereldwijde producent van ijzer en mangaan. Laten we nu een paar andere prominente namen bekijken:

#1. Albemarle Corporation (ALB)

Een grote lithiumproducent, Albemarle, ontwikkelt batterijtechnologieën met verhoogde energiedichtheid om gewicht te verminderen en het bereik te vergroten. Het is een van ’s werelds grootste producenten van lithium voor EV‑batterijen. De aanbiedingen van het bedrijf om te voldoen aan de vraag naar schone energie omvatten kathode‑oplossingen, anode‑oplossingen, elektrolyt‑oplossingen en batterijbehuizingen.

Met een marktkapitalisatie van $9,84 miljard wordt Albemarle’s aandeel momenteel verhandeld tegen $83,66, een daling van 41,6% YTD. Het heeft een EPS (TTM) van -4,73, een P/E (TTM) van -17,67, en een dividendrendement van 1,94%. In Q2 van 2024 rapporteerde het bedrijf een nettowinst van $1,4 miljard en een aangepaste EBITDA van $386 miljoen. De operationele cashflow bedroeg ondertussen $363 miljoen, een stijging ten opzichte van $289 miljoen YoY. Albemarle leverde ook meer dan $150 miljoen aan productiviteitsvoordelen.

#2. QuantumScape (QS)

QuantumScape (QS ) is een ontwikkelaar van vaste‑stroom lithium‑metaalbatterijen, met als doel de energieopslag te transformeren. Het bedrijf heeft het eerste anodeloze celontwerp van de industrie ontwikkeld, wat de materiaalkosten verlaagt en een hoge energiedichtheid levert. Dit jaar ging QuantumScape een partnerschap aan met Volkswagen’s batterijonderneming, PowerCo, en verleende hen een licentie om batterijencellen op massaal niveau te produceren op basis van het technologieplatform van QuantumScape.

Met een marktkapitalisatie van $2,75 miljard wordt QuantumScape’s aandeel momenteel verhandeld tegen $5,51, een daling van 19,78% YTD. Het heeft een EPS (TTM) van -0,95 en een P/E (TTM) van -5,78. In Q2 2024 rapporteerde het bedrijf kapitaalinvesteringen van $18,9 miljoen, terwijl de GAAP operationele kosten $134,5 miljoen bedroegen. De liquiditeit bedroeg $938 miljoen aan het einde van het kwartaal.

Conclusie

Gezien het brede gebruik en de marktomvang van batterijen, worden nieuwe en geavanceerde batterijtechnologieën intensief onderzocht en ontwikkeld. Zoals we zagen in de nieuwste studie, vertoonde het nieuwe kathodemateriaal “hoge gravimetrische energiedichtheden boven 1.100 Wh kg⁻¹ en >70 % retentie over 100 cycli,” waardoor de deur wordt geopend voor batterijkathodes gemaakt van aardrijke elementen zoals Mn en Fe.

Aangezien lithium‑ionbatterijen worden gezien als een cruciaal onderdeel van de transitie naar schone energie, zorgen studies zoals deze voor hun voortdurende groei en prijsdaling door het ontwikkelen van “goedkope, hoogpresterende kathodematerialen.”

Dit wijst op een veelbelovende toekomst voor energieopslag, met het potentieel om te voldoen aan de groeiende wereldwijde vraag terwijl de milieu-impact wordt geminimaliseerd.

Klik hier voor een lijst van de top tien batterijacties om in te investeren.