Meer stroom met nanodeeltjes

Zonder de term nanotechnologie is een persbericht van een fabrikant van oplaadbare autobatterijen deze dagen niet compleet. Of de elektroden nu zijn gemaakt van lithiumijzerfosfaat, van lithiumtitaandioxide of van lithiummangaanoxide in alle gevallen wordt het materiaal toegepast in de vorm minuscule korreltjes. Het formaat van die deeltjes – tot 100 nanometer – ligt in de buurt van de kleinste structuren op een computerchip. Voor de productie spelen de fabrikant soms dan ook leentjebuur bij chipfabrikanten.

“Het belang van nanotechnologie voor nieuwe batterijen kan ik eigenlijk nog het best uitleggen in Jip en Janneketaal”, zegt Tim de Lange, universitair docent Lucht- en Ruimtevaart aan de TU Delft. “Je maakt heel veel kamertjes in een bepaald materiaal. Daardoor neemt het volume toe aan het oppervlak, het actieve materiaal dat voor reacties beschikbaar komt.”

Door materiaal te verpulveren, te verdampen en weer te laten neerslaan worden de nanodeeltjes naar wens gemodelleerd. “Een belangrijk voordeel van een elektrode die is opgedeeld in kleine korreltjes, is dat de lithiumionen en de elektronen daarin makkelijk kunnen doordringen”, zegt de Eindhovense hoogleraar Peter Notten. Dat betekent dat een elektrode met dezelfde chemische samenstelling meer vermogen kan leveren omdat ionen en elektronen sneller loskomen en sneller worden opgeslagen.

De reactiviteit van een elektrode kan ook nadelig uitwerken, ongewenste reacties verlopen eveneens gemakkelijker. Dat kan betekenen dat de elektrode sneller slijt, of zichzelf gaat ontladen op een ongewenst moment. “Met de toepassing van een goede coating is dit probleem te ondervangen”, zegt batterijonderzoeker Erik Kelder van de TU Delft.”

Dankzij minuscule korrels in de elektrode kan de batterijenfabrikant materialen gebruiken die anders niet zo heel erg geschikt zouden zijn. Populair is de toepassing aan de kathode van lithiumijzerfosfaat ter vervanging van lithiumkobaltoxide, het meest gebruikte materiaal in laptops en mobiele telefoons. De kathode is de positieve pool als de batterij stroom levert. Lithiumionen komen dan terecht in ijzerfosfaat en nemen een elektron op, een elektron dat stroom levert als het zich door een elektrisch circuit beweegt.

De grootste en bekendste fabrikant van batterijen met lithiumijzerfosfaat is het Amerikaanse bedrijf A123, opgericht door wetenschappers van het Massachusetts Institute of Technology in Boston. Zes jaar geleden publiceerden zij over experimententen waarin ze lithiumijzerfosfaat mengden met elementen als niobium en zirkonium (Nature Materials online, 22 september 2002). Gevolg was dat de geleiding van het lithiumijzerfosfaat sterk toenam.

Het werk van materiaalwetenschapper Yet-Ming Chiang en zijn collega’s werd binnen een paar jaar toegepast in de elektrische gereedschappen van Black & Dekker en De Walt en dat leidde tot successtories over de snelle toepassing van nanotechnologie in Nature en The Economist. Intussen wordt druk gespeculeerd over een beursgang van het bedrijf.

Volgens batterij-importeur Jeff Peeraer zijn de batterijen van A123 de beste, maar ook de duurste op de markt. General Motors wil ze misschien gaan gebruiken in de Chevy Volt. A123 is ook een belangrijke kandidaat voor levering van batterijen voor de elektrische auto’s van Think, een Noorse bedrijf waarin Ford fors heeft geïnvesteerd, maar zich uiteindelijk heeft teruggetrokken.

Toch zijn de publicaties van deze Amerikaanse materiaalwetenschappers niet onomstreden. “Veel mensen vinden het inbouwen van niobium een farce”, zegt Kelder van de TU Delft. Hij is juist teruggekeerd van een congres over batterijtechnologie in Tianjin (China): “De Britse Chemicus Saiful Islam van de universiteit van Bath hield in Tianjin een presentatie waarin hij betoogde dat je een metaal als niobium in het kristalrooster van lithium ijzerfosfaat niet in kunt passen. Het niobium doet waarschijnlijk wel iets, maar als A123 in zijn octrooien vermeldt dat ze niobium in het kristalrooster verwerken, terwijl dat in werkelijkheid niet kán dan hebben ze wel een probleem.”

Kelder woonde in China ook een presentatie bij van Claude Delmas van de universiteit van Bordeaux, die liet zien dat lithium uit lithiumijzerfosfaat alleen loodrecht op het kristalrooster kan ontsnappen. Dat heeft hij aangetoond met NMR-spectroscopie. “Zo’n studie toont hoe belangrijk is dat je de deeltjes van een elektrode op de juiste manier neerlegt”, zegt Kelder. “Misschien werkt het niobium als een ent waarop het kristal zich op een gunstige manier vormt.”

Het Canadese Phostech Lithium heeft A123 voor de rechter gedaagd wegens schending van het patentrecht. Phostech exploiteert octrooien van de Fransman Michel Armand van de Université de Picardie, de wetenschapper die ontdekte dat een koolstofcoating de geleiding van lithiumijzerfosfaat enorm ten goede komt. Kelder vermoedt dat ook A123 een koolstofcoating zal moeten toepassen om het lithiumijzerfosfaat tot een werkbaar materiaal te maken.

Yet-Min Chiang ontkent dit in een reactie per e-mail. Hij laat weten dat de batterijen van A123 wel degelijk gebaseerd zijn op gedoteerd lithiumijzerfosfaat. De specifieke samenstelling wil hij niet geven.

“Lithiumijzerfosfaat is een isolator, maar je creëert onregelmatigheden aan het oppervlak waardoor je tóch elektronen in het systeem krijgt”, zegt Kelder. “Over de vraag hoe dat kan wordt wetenschappelijk nog fel gediscussieerd, maar het lijkt erop dat je het kristalrooster als het ware oprekt waardoor de elektronen beter naar binnen kunnen.”

Erik Kelder wil zich als wetenschapper niet mengen in gehakketak over octrooien. Hij werkt aan batterijen waarin nikkel wordt gecombineerd met lithiummangaanoxide. Batterijen met mangaanoxide werken bij een relatief hoog voltage en kunnen dus betrekkelijk veel energie opslaan. Probleem is dat de elektroden de neiging hebben om op te lossen. Kelder hoopt dat aan te pakken door toepassing van een nieuwe elektrolyt.

Niet alleen de materialen in de kathode, maar ook de werking van het grafiet in de anode valt te beteren door te werken met nanodeeltjes. Amerikaanse bedrijven als Enerdel en Altairnano gebruiken lithiumtitaanoxide, Phoenix een Amerikaans bedrijf dat een elektrische SUV ontwikkelt, wil deze batterijen gaan gebruiken.

Een andere mogelijkheid is de vervanging van koolstof door silicium, dat in principe meer dan tien keer zoveel lading kan opslaan. Probleem is dat silicium enorm uitzet als het lithium opneemt en weer enorm krimpt als het metaal loskomt. Een batterij met een gewone lithiumelektrode zou daardoor al snel scheuren en verbrokkelen. Materiaalwetenschapper Yi Cui, verbonden aan de universiteit van Stanford, publiceerde begin dit jaar een mogelijke oplossing voor dit probleem (Nature Nanotechnology, 2008). Hij toonde aan dat een soort grasveld van silicium nanodraden uitstekend bestand was tegen de stress die het invoegende en loskomende lithium veroorzaakt.