Amerikaanse onderzoekers hebben een nieuwe elektrolyt ontwikkeld waardoor natrium-ionbatterijen veel langer stabiel blijven werken. De relatief kleine chemische aanpassing kan een belangrijke stap zijn richting goedkopere batterijen zonder lithium.
Natrium-ionbatterijen worden al jaren gezien als een veelbelovend alternatief voor traditionele lithium-ionaccu’s. Natrium is wereldwijd ruim beschikbaar, goedkoop en eenvoudiger te winnen dan lithium. Toch bleef één groot probleem hardnekkig terugkomen: de batterijen degraderen relatief snel, vooral bij hogere spanningen.
Volgens de studie, gepubliceerd in Nano Energy, hebben onderzoekers van het Amerikaanse Pacific Northwest National Laboratory nu een manier gevonden om dat probleem aanzienlijk te beperken. Met een aangepaste elektrolyt bleven de testcellen na 500 laadcycli nog altijd op 80 procent van hun oorspronkelijke capaciteit. Dat ligt fors hoger dan bij veel bestaande natrium-ionsystemen, die vaak al na 100 tot 300 cycli vergelijkbare degradatie vertonen.
Kleine aanpassing, groot effect
Het onderzoek draait om een zogenoemde meta-weakly solvating electrolyte. In gewone batterij-elektrolyten worden natriumionen sterk omringd door oplosmiddelmoleculen. Die beschermende “mantel” helpt tijdens het transport door de batterij, maar zorgt ook voor problemen wanneer de ionen de elektrode bereiken.
Daar ontstaan vaak ongewenste chemische reacties die de batterij langzaam aantasten. De nieuwe elektrolyt van de onderzoekers bindt natriumionen minder sterk aan oplosmiddelmoleculen, waardoor die reacties veel beter onder controle blijven.
De aanpassing klinkt klein, maar het effect blijkt groot. De onderzoekers vervingen een traditionele verdunner in de elektrolyt door tris(2,2,2-trifluoroethyl) phosphate (TFP), een zwak solvaterende verbinding die zorgt voor een stabielere chemische omgeving rond de natriumionen.
Minder slijtage en efficiënter laden
Met behulp van nucleaire magnetische resonantie (NMR), scanning electron microscopy (SEM) en andere analysetechnieken zagen de onderzoekers dat de nieuwe elektrolyt niet alleen de slijtage verminderde, maar ook de weerstand tijdens het laden en ontladen verlaagde.
Daardoor kunnen natriumionen sneller bewegen en efficiënter reageren aan het elektrode-oppervlak. Het resultaat: minder materiaalverlies, minder degradatie en een stabielere batterij over langere tijd.
Dat is vooral relevant omdat natrium-iontechnologie steeds serieuzer wordt genomen binnen de batterij-industrie. Grote Chinese spelers zoals CATL investeren inmiddels fors in natrium-ionaccu’s voor goedkopere elektrische voertuigen en grootschalige energieopslag.
Serieus alternatief voor lithium?
Voor toepassingen waarbij maximale energiedichtheid cruciaal is blijft lithium-ion voorlopig dominant. Maar voor stationaire opslag, thuisbatterijen en betaalbare elektrische auto’s kan natrium-ion een aantrekkelijk alternatief worden. Juist daar telt levensduur zwaar mee. Een batterij die honderden cycli langer meegaat, kan de totale kosten aanzienlijk verlagen.
De nieuwe elektrolyt van het PNNL lost nog niet alle uitdagingen van natrium-ion op, maar laat wel zien dat slimme chemische aanpassingen grote impact kunnen hebben. En dat maakt de technologie ineens een stuk serieuzer dan veel mensen tot voor kort dachten.
