Hoe maak je batterijen veiliger?

Er is een kleine kans dat oplaadbare lithiumbatterijen vlam vatten, exploderen of een bijtende vloeistof (het elektrolyt) lekken. Dat kan spontaan gebeuren, meestal tijdens het opladen. Maar een verkeerd gebruik, een slechte kwaliteit batterij of een beschadiging maakt het risico flink groter. Giuseppe Portale, adjunct hoogleraar Polymeerchemie en -natuurkunde aan de RUG werkt daarom aan veiliger batterijen.

FSE Science Newsroom | René Fransen

In commerciële lithium-ion batterijen zit een vloeistof, de elektrolyt, die ervoor zorgt dat geladen lithium-ionen zich gemakkelijk tussen de positieve en negatieve elektrode bewegen. De elektrolyt maakt ook de chemische reacties mogelijk waarmee elektriciteit wordt opgewekt, en waardoor de batterij wordt opgeladen en ontladen. ‘Maar in lithium-ion batterijen is deze vloeistof giftig, bijtend en gemakkelijk ontvlambaar’, legt Portale uit.

Nieuwe eigenschappen

Veel problemen met de vloeibare elektrolyt zijn op te lossen door een elektrolyt van een vaste stof te gebruiken. Maar in een zo’n vaste stof kunnen de geladen lithium-ionen zich niet zo vrij bewegen als in een vloeistof, wat zorgt voor een minder goed presterende batterij. Portale werkt daarom aan een meer subtiele verbetering: hij maakt een zachte maar stevige elektrolyt van lange, spaghetti-achtige moleculen: polymeren. Samen met lithium zout vormen de polymeren een soort pasta waarin lithium-ionen zich vrijer kunnen bewegen dan in gewone vaste elektrolyt, maar wel iets minder vrij dan in een vloeistof.

Een groot voordeel van polymeren is dat je ze eenvoudig kunt aanpassen, om ze nieuwe eigenschappen te geven. Portale maakte bijvoorbeeld een “lithium snelweg” langs de polymeren, waarbij het “asfalt” bestaat uit zuurstofatomen die langs de spaghetti-achtige slierten zijn geplaatst. Zijn onderzoeksgroep test dit soort innovaties in knoopcel batterijen, die in een testapparaat continu worden opgeladen en ontladen totdat ze kapot gaan. ‘We kunnen online volgen hoe nieuwe batterijen het doen, en hoe lang ze het uithouden’, vertelt Portale.

De voordelen van ‘spaghetti batterijen’

Het polymeer elektrolyt is iets duurder dan de gewone vloeibare elektrolyten. Maar als je vloeistof vervangt door polymeren kun je ineens allerlei verbeteringen aanbrengen. Door de individuele polymeerslierten aan elkaar te koppelen ontstaat een netwerk dat het transport van lithium ionen verbetert: ze kunnen dan van sliert naar sliert overspringen om zich tussen de polen van de batterij te verplaatsen, als de slierten ten minste flexibel genoeg zijn. Andere verbeteringen kunnen het polymeer groener en meer duurzaam maken.

‘We kunnen ook bepaalde deeltjes aan het polymeer toevoegen waardoor het zo goed als onbrandbaar wordt’, zegt Portale. Dat zou het einde zijn van exploderende telefoons of e-bikes. Andere toevoegingen helpen het polymeer elektrolyt om schokken te absorberen. Dat voorkomt schade aan de batterij als je je telefoon laat vallen – en daarmee ook de kans op een exploderende batterij. ‘We werken bovendien aan een zelfhelend elektrolyt, waardoor eventuele schade vanzelf ongedaan wordt gemaakt.’

De andere artikelen vind je in het venster hieronder.