Overal om ons heen is het terug te zien: de samenleving elektrificeert en windmolens en zonnepanelen worden op steeds meer daken gelegd. Windmolens en zonnepanelen geven echter geen constante stroom. Die variëren met windsterkte en de zon. Daarom moeten elektriciteitsbedrijven stroom opslaan in tijden van overvloed, zodat die voldoende kunnen leveren bij minder wind en zon. Daarnaast komen er steeds meer elektrische auto’s en andere transportvoertuigen op de markt. Die hebben lichtgewicht oplaadbare batterijen nodig die lang mee gaan en de nodige kilometers kunnen maken.

Een veelgebruikte batterij is de Lithium-ionbatterij. Oplaadbaar, licht van gewicht en toegepast in vele apparaten. Voorbeelden hiervan zijn laptops, mobiele telefoons en elektrische auto’s. De wetenschappers die aan de wieg stonden van deze ontdekking hebben niet voor niets in 2019 de Nobelprijs voor Scheikunde gewonnen.

Er zijn heel veel batterijen nodig met verschillende toepassingen. Sommige batterijen moeten snel opladen, terwijl bij andere een langzamer proces gewenst is. Door de grote hoeveelheid aan batterijen die nodig zijn, kan de beschikbaarheid van de grondstoffen in het geding komen. Daardoor hebben we verschillende types batterijen nodig. Ook zijn aan Lithium-ionbatterijen risico’s verbonden op het gebied van brandveiligheid. Daarom zoeken wetenschappers naar alternatieven die theoretisch gezien meer capaciteit moeten leveren en veiliger zijn. In dit blog schrijf ik over twee typen: de Lithium-zwavelbatterij en de nickel-ijzer-zwavelbatterij.

Hoe werkt een batterij?

Hoe werken deze batterijen op chemisch niveau eigenlijk? Wat gebeurt er in de batterij tijdens het opladen en ontladen? Waarom loopt een batterij steeds eerder leeg? Om deze vragen te beantwoorden, is het handig eerst te weten wat een batterij is en hoe die werkt. De werking van de Lithium-ionbatterij is uitgelegd in de video hieronder.

Een batterij, ook de bekende Lithium-ionbatterij, bestaat uit twee elektroden met een potentiaalverschil. Dit verschijnsel noemen we ook wel elektrische spanning. Chemische reacties treden op bij de anode die elektronen vrijgeven om stroom te geven aan een extern circuit. Deze elektronen moeten dan door naar de kathode. Doordat deze elektronen bewegen, ontstaat er een lading bij de elektroden die wordt gecompenseerd door ionen in het elektrolyt. Bij het opladen gebeurt het tegenovergestelde: de elektronen en ionen gaan de tegenovergestelde richting op en het originele spanning is hersteld.

In een lithium-ionbatterij bewegen lithiumionen tussen de elektroden door een (doorgaans) organisch elektrolyt, carbonaten en ethers bijvoorbeeld. Lithiumionen zijn klein genoeg om in lege ruimtes van materialen als koolstof en kobaltoxide te bewegen. Die materialen worden dan ook gebruikt als elektrode. Dit heet intercalatie en decalatie (in en uit de elektrode respectievelijk) en dit soort elektroden kunnen lang mee. Materialen die hiervoor gebruikt worden zijn echter vaak duur en/of vallen onder de conflictmaterialen.

Lithium-zwavelbatterij

Een zwavelkathode wordt tegenwoordig door vele groepen bestudeerd als alternatief en Sony zou bezig zijn met commerciële toepassingen. Zwavel kan in veel oxidatietoestanden voorkomen. Die eigenschap wordt gebruikt, omdat zwavel daardoor elektronen opneemt of afstaat, afhankelijk van de oxidatietoestand. In lithium-zwavelbatterijen is zwavel het actieve materiaal in de kathode. Dit zwavel kan tijdens het ontladen elektronen opnemen en reageert vervolgens tot een oplosbaar (poly)sulfide. Dit in tegenstelling tot de huidige Li-ionbatterij waar intercalatie wordt gebruikt. Het oplosbare polysulfide reageert vervolgens met de lithiumionen. Dit kan bij de kathode gebeuren, maar omdat het sulfide is opgelost, kan het ook door het elektrolyt diffuseren en bij de anode reageren.

Wanneer deze sulfiden reageren met de lithiumionen en neerslaan bij de kathode, spreken we van de gewenste reactie. Maar als ze bij de anode reageren en niet neerslaan bij de kathode, raakt de zwavel als het ware op. Tijdens het opladen wordt geen zwavel meer gevormd. Hierdoor verliezen deze batterijen sneller capaciteit dan de huidige lithium-ionbatterijen.

Dit type reacties die de capaciteit verminderen, heten parasitaire reacties. Om die parasitaire reacties te voorkomen, moeten we de batterij dus tot in detail bestuderen. Daarvoor is het nodig alle stofjes te vinden die tijdens het op- en ontladen ontstaan.

IJzer-nikkel-zwavel

Naast de lithium-zwavelbatterij houdt mijn onderzoek zich voornamelijk bezig met de oplaadbare ijzer-nikkel-zwavelbatterij (NiFeS). Als elektrolyt bevat die geen organische oplosmiddelen, maar een op water gebaseerde oplossing. Het grote voordeel van dit elektrolyt is dat het minder brandbaar is dan de organische vloeistoffen in lithiumbatterijen. In deze batterij is ijzer het actieve materiaal van de anode en nikkelhydroxide van de kathode. Dit ijzer reageert tot ijzeroxide gedurende het ontladen.

In het periodiek systeem staan nikkel en ijzer lager dan lithium en zwavel. Dit betekent dat deze elementen zwaarder zijn. Maar een hele zware batterij is niet handig voor transport, dus de toepassingen voor de NiFeS-batterij zijn waarschijnlijk stationair. Bijvoorbeeld als energieopslagsysteem in de buurt van een windmolenpark of zonnecentrale. Hiermee kunnen elektriciteitsbedrijven stroom opslaan in tijden van overvloed en afgeven in tijden van schaarste.

Betere prestaties

Vooral de rol van zwavel is voor dit type batterij interessant. Het speelt namelijk nog een andere rol dan in lithium-zwavelbatterijen. Nikkel-ijzerbatterijen bestaan al honderd jaar. Het is een batterij waarmee Thomas Edison en de Zweedse wetenschapper Waldemar Jünger al experimenteerden om elektrisch voortgedreven voertuigen mee te maken. Maar als onderzoekers sulfiden of zwavel toevoegen, blijken deze batterijen beter te presteren op het gebied van capaciteit en levensduur.

De reden waarom is nog niet volledig bekend. Een van de hypothesen is dat het sulfide helpt om de ijzeroxides te reduceren tot ijzer. Die hulp is nodig omdat deze ijzer oxiden als roest stabiel zijn ten opzichte van dit soort reacties. Hiermee helpt het dus de batterij weer op te laden wanneer die leeg is. Ook kan ijzersulfide in de ijzer elektrode ervoor zorgen dat de deeltjes meer worden opgebroken in kleinere deeltjes. Dit zorgt voor een groter raakvlak tussen elektrode en elektrolyt waardoor de capaciteit in de elektrode vollediger wordt gebruikt.

Tijdens de werking van de batterij ondergaan deze sulfiden echter diverse reacties. Die vinden zowel bij de anode, de kathode als in het elektrolyt plaats. Dit zorgt voor een complexe situatie waarin verschillende verbindingen ontstaan en de sulfiden dus ‘op’ raken. Daardoor staan we voor de vraag wat precies de rol van de sulfide is.

Metingen

Om erachter te komen wat waar gebeurt in de batterij, zijn verschillende metingen nodig. In de basis zijn dat metingen waarbij stroom op de batterij staat om die op en af te laden. Door tijdens dit proces de elektrische spanning te volgen, kunnen we zien of de batterij werkt zoals dat zou moeten.

Daarnaast gebruiken we een set van metingen, bijvoorbeeld spectroscopie, om de stofjes binnen de batterij te identificeren. Hiervoor gebruiken we licht met uit verschillende delen van het lichtspectrum. Röntgenspectroscopie, röntgendiffractie, UV-spectroscopie en Raman-spectroscopie helpen ons bijvoorbeeld de stofjes identificeren. Hieronder vind je een voorbeeld van een cel waarin dit tegelijkertijd kan met het opladen en ontladen van de batterij.

Afbeelding 1

Verschillende technieken geven onse verschillende puzzelstukjes om de vraagstukken op te lossen. Het ene stukje vertelt iets over de oxidatietoestanden van de stofjes, terwijl het andere meer vertelt over de aanwezige verbindingen. Alle informatie bij elkaar geeft een completer beeld van de batterij. Wanneer we deze reacties beter begrijpen hebben we meer handvaten om op de gewenste processen te sturen. Wellicht hebben we dan in de toekomst allemaal een batterij onder ons zonnepaneel staan.

Bronnen:
J. O. G. Posada et al. Aqueous batteries as grid scale energy storage solutions, Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 68, pp. 1174–1182, 2017.
J. H. Tian et al. In Situ/Operando Spectroscopic Characterizations Guide the Compositional and Structural Design of Lithium–Sulfur Batteries, Small Methods, vol. 4, no. 6, pp. 1–19, 2020.

Fotocredits:
Hoofdfoto: Seagul, via Pixabay

Foto schema batterij: Winfied de Haas