Nieuwe batterijtechniek kan nikkel en kobalt overbodig maken

Een team van onderzoekers aan de McGill University heeft een methode ontwikkeld om lithium-ionbatterijen te produceren zonder gebruik van dure en moeilijk winbare metalen zoals nikkel en kobalt. De doorbraak zou de weg kunnen vrijmaken naar duurzamere en goedkoper te produceren batterijen voor onder meer elektrische voertuigen en energieopslag.

De innovatie draait om de productie van zogenoemde disordered rock-salt (DRX) kathodematerialen. Tot nu toe waren DRX-deeltjes lastig toepasbaar, omdat het productieproces onbetrouwbaar was: de deeltjes verschilden sterk in grootte en structuur, wat de prestaties en stabiliteit van de batterijen negatief beïnvloedde.

Het team ontwikkelde een tweestapsproces op basis van gesmolten zout. Dat maakt het mogelijk om zeer kleine, kristallijne DRX-deeltjes van uniforme grootte te vormen – zonder extra nabehandeling. “Onze methode maakt massaproductie van DRX-kathodes met constante kwaliteit mogelijk”, zegt Jinhyuk Lee, universitair docent aan McGill en corresponderend auteur van het onderzoek. “Dat is essentieel voor grootschalige toepassing in elektrische voertuigen en duurzame energieopslag.”

DRX-kathodes zijn interessant omdat ze gebruikmaken van goed verkrijgbare metalen zoals mangaan, in plaats van kritieke grondstoffen als nikkel en kobalt. Dat maakt ze aantrekkelijker in termen van duurzaamheid, kostprijs en geopolitieke beschikbaarheid.

Prestaties in de praktijk

Bij tests met batterijcellen bleken de nieuw geproduceerde DRX-materialen in staat om na honderd laad- en ontlaadcycli nog altijd 85 procent van hun capaciteit te behouden. Dat is meer dan twee keer zoveel als bij DRX-deeltjes die op conventionele wijze zijn gemaakt.

Een belangrijk kenmerk van de nieuwe techniek is de controle over zowel de kristalgroei als de spreiding van de deeltjes. “We hebben de eerste methode ontwikkeld om direct, zonder nabewerking, uniforme DRX-deeltjes te synthetiseren”, aldus Lee. Het resulterende poeder bestaat uit deeltjes kleiner dan 200 nanometer, een afmeting die cruciaal is om het volledige potentieel van DRX-materialen te benutten.

Van lab naar fabriek

De studie is het resultaat van een samenwerking tussen McGill, Stanford University’s SLAC National Accelerator Laboratory en het Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST). Ook het Amerikaanse batterijbedrijf Wildcat Discovery Technologies was betrokken en leverde een deel van de financiering. Deze partij onderzoekt momenteel hoe de techniek opgeschaald kan worden voor commerciële toepassingen.

Volgens de onderzoekers is de nieuwe productiemethode niet alleen beter controleerbaar, maar ook energie-efficiënter en eenvoudiger op te schalen. “De acceptatie van ons werk laat zien dat onze aanpak zowel fundamenteel inzicht als industrieel potentieel biedt”, zegt promovenda en eerste auteur Hoda Ahmed. “Het verlegt de focus in het veld naar schaalbare productie.”

Met de nieuwe benadering hopen de onderzoekers bij te dragen aan de ontwikkeling van een volgende generatie lithium-ionbatterijen die minder afhankelijk zijn van kritieke grondstoffen en beter geschikt zijn voor massaproductie.