Olie en goud staan al enige tijd niet meer aan de top van de mondiale grondstoffenmarkt. Dankzij mobiele telefoons, notebooks, tablets en elektrische auto’s is lithium, dat in grote hoeveelheden wordt gebruikt voor lithium-ionbatterijen, een van de meest gewilde grondstoffen geworden. Volgens schattingen van het Duitse grondstoffenagentschap zal de vraag blijven stijgen en tegen 2025 zelfs verdubbeld zijn. Lithium wordt vooral gedolven in Zuid-Amerika. Chili is een van de belangrijkste leveranciers.

Ongeveer 90 procent van de lithium-ioncellen wordt momenteel in Azië geproduceerd, maar de productie in Europa zal in de toekomst ook worden opgevoerd. In het kader van het Europese onderzoeksproject Si-DRIVE onderzoeken het Karlsruher Institute for Technology (KIT) en het Helmholtz-Institut Ulm (HIU) met hun partners een nieuwe batterijcel. De cel zal bestaan uit een nanogestructureerde siliciumanode, een nieuwe vaste elektrolyt op basis van ionische vloeistoffen en een volledig kobaltvrije maar lithiumrijke kathode.

De onderzoekers willen een uitgebreid recyclingprogramma en duurzame batterijproductie mogelijk maken door middel van een dergelijk celconcept op basis van ecologisch en economisch niet-kritische materialen. Kobalt wordt bijvoorbeeld beschouwd als een zogenaamde “kritische grondstof”, omdat dit materiaal niet alleen zeer beperkt is, maar ook geopolitiek moeilijk toegankelijk, waardoor de aanvoer niet altijd in voldoende hoeveelheden gegarandeerd is. Daarnaast wordt het voornamelijk gedolven in de Democratische Republiek Congo, deels door kinderarbeid en onder onmenselijke omstandigheden.

Zonder kobalt

“Het bijzondere aan dit project is dat wij als groep alle stappen van de batterijwaardeketen coveren, van materiaalontwikkeling tot en met de productie en recycling van prototypes van cellen”, legt professor Stefano Passerini, directeur van de HIU, uit. Zijn onderzoeksgroep ontwikkelt het nieuwe, kobaltvrije kathodemateriaal met niet-kritische elementen zoals ijzer of aluminium. “Tegelijkertijd willen we het lithiumgehalte in de laagoxidekathode aanzienlijk verhogen in vergelijking met conventionele materialen om zo een aanzienlijke toename van de energiedichtheid te bereiken,” zegt Passerini.

Het uiteindelijke doel van de onderzoekers is een recyclingpercentage van meer dan 50 procent. Om dit te bereiken, volgen de anode- en elektrolytconcepten ook een duurzaamheidstraject. “De nanostructuren van de anode zijn zo ontworpen dat een lange cyclusstabiliteit mogelijk wordt gemaakt door een ideale geometrie met hoge massabelastingen”, aldus het KIT. “De structuur van de anode wordt geoptimaliseerd door het zo te modelleren dat volume-expansie en mechanische vervorming worden voorkomen en tegelijkertijd een maximale energiedichtheid kan worden gehandhaafd. De nieuw ontwikkelde vaste elektrolyt is gebaseerd op ionische vloeistoffen, die zorgen voor een grotere stabiliteit bij hoge spanningen, hoge veiligheid en lage ontvlambaarheid.

Van productie tot recycling

Daarnaast zullen vijf bij het project betrokken partners ook werken aan het concept van een circulaire economie om verdere toepassingsgebieden te vinden. Mogelijke toepassingen zijn bijvoorbeeld “low-age” accu’s van elektrische auto’s, die kunnen worden gekoppeld en gebruikt als stationaire opslagunits.

Het plan voor de productie van batterijen in Europa moet in 2030 klaar zijn. De Europese Unie (EU) financiert het project met acht miljoen euro over een periode van vier jaar. In totaal nemen 17 instellingen uit wetenschap en industrie uit acht landen deel aan het Europese kaderprogramma voor onderzoek en innovatie Horizon 2020. Met de onderzoeksgroepen van professor Arnulf Latz van het Duitse lucht- en ruimtevaartcentrum (DLR) en Dr. Margret Wohlfahrt-Mehrens van het Center for Solar Energy and Hydrogen Research Baden-Württemberg (ZSW) zijn nog twee andere HIU-partners betrokken.

Hoofdfoto: © Pixabay