Nieuw onderzoek laat zien dat natrium-ion batterijen sneller kunnen opladen dan lithium-ion, terwijl ze tegelijk goedkoper en duurzamer zijn. Dat zet vraagtekens bij de vanzelfsprekendheid van lithium als standaard.
De zoektocht naar snellere en duurzamere batterijtechnologieën krijgt een nieuwe impuls. Onderzoekers van de Tokyo University of Science hebben experimenteel aangetoond dat natrium-ion batterijen (SIBs) intrinsiek sneller kunnen laden dan traditionele lithium-ion batterijen (LIBs).
Volgens de studie, gepubliceerd in Chemical Science, biedt dit nieuwe bewijs dat SIBs niet alleen een goedkoop alternatief zijn, maar ook echte prestatievoordelen kunnen bieden, met name voor toepassingen die snelle energieafgifte vereisen, zoals elektrische voertuigen (EV’s).
Natrium-ion eindelijk serieus genomen
De wereldwijde energietransitie en de toenemende vraag naar duurzame energieopslag hebben geleid tot bezorgdheid over de beschikbaarheid van lithium. Natrium is daarentegen overvloedig en goedkoop. “Natrium-ion batterijen zijn een toonaangevende kandidaat om lithium-ion batterijen te vervangen, terwijl ze toch voldoen aan de wereldwijde energievraag,” aldus de onderzoekers van de Tokyo University of Science.
Een cruciale factor in het succes van SIBs is het gebruik van hard carbon (HC) als negatieve elektrode. Dit poreuze, laagkristallijne koolstofmateriaal kan aanzienlijke hoeveelheden natrium opslaan, waardoor SIBs energiedichtheden bereiken die vergelijkbaar zijn met commerciële LIBs.
Nauwkeurige vergelijking
Het bepalen van de maximale ladingssnelheid van hard carbon is historisch gezien lastig geweest. Traditionele testmethoden onderschatten vaak de werkelijke prestaties door concentratie-overvoltage in dicht gepakte elektroden. In deze structuren ontstaan zogenaamde “ion traffic jams”, waarbij de transportcapaciteit van ionen in het elektrolyt de reactiesnelheid beperkt. Hierdoor blijft het fundamentele potentieel van hard carbon vaak onzichtbaar.
Om dit probleem te omzeilen, introduceerde het team rond professor Shinichi Komaba de diluted electrode method. Hierbij worden hard carbondeeltjes gemengd met elektrochemisch inactief aluminiumoxide. Door de verhouding aan te passen, konden de onderzoekers individuele hard carbondeeltjes isoleren en omgeven met een optimale ionenvoorraad. Dit stelde hen in staat om de maximale snelheden van sodiatie (natrium-insertie) en lithiatie (lithium-insertie) nauwkeurig te meten en vergelijken.
Sneller opladen dankzij natrium
De resultaten waren duidelijk: natriumionen bewegen sneller in hard carbon dan lithiumionen. Met behulp van cyclic voltammetry en elektrochemische impedantiespectroscopie berekenden de onderzoekers de apparente diffusiecoëfficiënt, een maat voor hoe snel ionen door een materiaal bewegen. In vrijwel alle gevallen bleek deze coëfficiënt hoger voor natrium dan voor lithium.
“Onze resultaten tonen kwantitatief aan dat de ladingssnelheid van een SIB met een HC-anode sneller kan zijn dan die van een LIB,” stelt prof. Komaba.
Goedkoper, veiliger en betere prestaties
Het onderzoek identificeerde ook de belangrijkste bottleneck in het laadproces: de zogenaamde pore-filling-mechanisme. Hierbij vormen ionen pseudo-metallische clusters in de nanoporiën van hard carbon. Chemische kinetische analyses lieten zien dat natrium minder activeringsenergie nodig heeft dan lithium om deze clusters te vormen. Dit verklaart de hogere snelheden en maakt natrium minder gevoelig voor temperatuurschommelingen.
Dit inzicht heeft grote implicaties: SIBs zijn niet alleen goedkoper en veiliger, maar bieden ook hogere prestaties bij snel laden, wat essentieel is voor EV’s, power tools en andere high-power toepassingen.
Lithiumvervanger?
Hoewel lithium-ion batterijen momenteel nog de markt domineren, suggereren deze resultaten dat sodium-ion batterijen een serieuze concurrent worden. Ze combineren lage kosten, brede beschikbaarheid en hoge prestaties, waardoor ze aantrekkelijk zijn voor zowel consumenten als industriële toepassingen.
Voor EV-fabrikanten en energieopslagbedrijven betekent dit dat een verschuiving naar SIBs niet alleen economisch interessant kan zijn, maar ook technisch voordeel biedt. Snellere oplaadtijden kunnen de acceptatie van elektrische voertuigen versnellen en de druk op het wereldwijde lithium-aanbod verlichten.
Meer dan lagere kosten alleen
Natrium-ion batterijen laten zien dat alternatieve batterijtechnologieën meer kunnen bieden dan alleen lagere kosten. Dankzij hard carbon-anodes en innovatieve testmethoden is bewezen dat ze intrinsiek sneller opladen dan lithium-ion batterijen, waardoor ze klaar zijn voor de high-power toepassingen van de toekomst.
