Onderzoekers hebben ontdekt hoe ijzer een ongekend hoge energietoestand kan bereiken. De vondst kan de technologie achter lithium-ionbatterijen volledig op zijn kop zetten.
IJzer, een van de meest alledaagse en overvloedige metalen op aarde, heeft wetenschappers compleet verrast. Een team van Stanford University heeft ontdekt hoe het element in een energietoestand kan worden gebracht die nog nooit eerder is waargenomen.
Volgens de studie, gepubliceerd in Nature Materials, kan ijzer veel meer elektronen afstaan en weer opnemen dan ooit mogelijk werd geacht. Dat betekent dat batterijen in theorie niet alleen krachtiger kunnen worden, maar ook aanzienlijk goedkoper. IJzer zou binnenkort zomaar dure en omstreden metalen zoals kobalt en nikkel kunnen vervangen.
Van ’te zwak’ naar supermetaal
Jarenlang werd ijzer beschouwd als ongeschikt voor hoogwaardige batterijen. Het bood te lage spanningen, degradeerde snel en kon simpelweg niet concurreren met de krachtige maar prijzige kobalt- en nikkelvarianten. Maar dat beeld kantelt nu razendsnel.
Een onderzoeksteam onder leiding van drie Stanford-promovendi: Hari Ramachandran, Edward Mu en Eder Lomeli — wist ijzer in een nieuw, hoogenergetisch oxidatietoestand te dwingen. Hun aanpak: een nanoschaalstructuur van lithium, ijzer, antimoon en zuurstof zó precies rangschikken dat de ijzeratomen tot vijf elektronen konden afstaan en weer opnemen. Ter vergelijking: tot nu toe bleef de teller steken op twee of drie.
Niet zo simpel als het lijkt
Het succes kwam niet vanzelf. “Onze eerste samples stortten in elkaar tijdens de laadcycli,” vertelt Ramachandran. De oplossing bleek te liggen in extreem kleine deeltjes, slechts 300 tot 400 nanometer groot. Dat is ongeveer 40 keer kleiner dan eerdere pogingen. Door de kristallen te laten groeien vanuit een zorgvuldig gemengde vloeistof, bleef de structuur stabiel, zelfs bij het uitwisselen van meerdere elektronen.
“De kristallen buigen iets tijdens het laden, maar ze breken niet,” vult Mu aan. “Dat is cruciaal voor de levensduur van batterijen.”
Lomeli’s spectroscopische analyses lieten bovendien zien dat het niet alleen de ijzeratomen zijn die het werk doen — ook zuurstof speelt een actieve rol in het opslaan en teruggeven van lading. “Het systeem gedraagt zich als één geïntegreerd geheel,” zegt hij.
Betaalbaar én duurzaam
De doorbraak past in een bredere trend binnen de batterijwetenschap: het streven naar betaalbare, duurzame en ethisch verantwoorde materialen. Kobalt is duur, schaars en wordt vaak gewonnen onder erbarmelijke omstandigheden. IJzer daarentegen is overvloedig aanwezig, goedkoop en eenvoudig te recyclen.
“Een hoogspanningskathode op basis van ijzer kan de traditionele trade-off tussen hoge spanning en hoge kosten doorbreken,” legt Mu uit. In het Stanford SLAC Battery Center bleek het nieuwe materiaal bovendien opmerkelijk stabiel te blijven — een zeldzaamheid bij dergelijke hoge oxidatieniveaus.
Meer dan alleen batterijen
Het potentieel van de doorbraak reikt verder dan energieopslag alleen. De manier waarop ijzer in dit materiaal met zuurstof samenwerkt, kan invloed hebben op technologieën die sterk afhankelijk zijn van magnetische en elektronische eigenschappen. Denk aan MRI-scanners, maglev-treinen en zelfs supergeleiding.
Volgens medeauteur William Chueh vormt de ontdekking een fundamenteel nieuw begrip van hoe overgangsmetalen als ijzer zich kunnen gedragen. “We hebben nu overtuigend bewijs dat ijzer oxidatietoestanden boven drie elektronen kan bereiken. Dat opent compleet nieuwe ontwerpstrategieën,” zegt hij.
Nieuwe hoofdrol voor ijzer
Het lijkt erop dat we aan de vooravond staan van een nieuwe “ijzeren eeuw”. Niet in de zin van staalproductie, maar van duurzame energieopslag. Waar kobalt en nikkel lange tijd de supersterren van de batterijwereld waren, zou ijzer zomaar de onverwachte opvolger kunnen worden.
Als het Stanford-team gelijk krijgt, zou de volgende generatie elektrische auto’s, windmolens en energieopslagsystemen weleens kunnen draaien op een van de oudste en meest nederige metalen ter wereld.
