‘Scheikunde is een soort lego, met het periodiek systeem als gebruiksaanwijzing’

We nemen onze telefoon en laptop overal mee naartoe, poetsen onze tanden met een elektrische tandenborstel en rijden met een elektrische auto of fiets over straat. Al deze gemakken danken we aan batterijen. Toch valt er nog een hoop te verbeteren aan deze energiedragers, vertelt hoogleraar scheikunde Marlies van Bael.

Er rijden wereldwijd meer dan tien mijoen elektrische auto’s rond, een kwart van de fietskilometers in Nederland wordt op een e-bike afgelegd en bijna iedereen heeft tegenwoordig een smartphone op zak – soms zelfs twee. Al die apparaten zouden niet bestaan zonder batterijen. Maar de huidige typen batterijen lopen tgen het plafond aan op het gebied van levensduur en duurzaamheid. Daarom zoeken onderzoekers nu naar nieuwe materialen en technologieën, om daarmee de batterij van de toekomst te maken.

Een van de onderzoekers die zich hiermee bezighoudt, is Marlies van Bael. Zij is hoogleraar scheikunde aan de Universiteit ­Hasselt en werkt met haar team aan een nieuwe generatie batterijen. Een voorbeeld daarvan is de zogeheten vastestofbatterij, die veiliger is en langer meegaat. Op de schaal van atomen en moleculen zoekt Van Bael de perfecte combinatie van stoffen voor elk batterij­onderdeel. De uitdaging is om dit te doen met materialen die ruim voorhanden zijn en die geen schade aan het milieu veroorzaken.

Naast haar onderzoek geeft Van Bael regelmatig college aan de scheikundigen van de toekomst. Ze is ervan overtuigd dat die in het lab volop zullen beschikken over vastestofbatterijen. ‘Ik ben niet van de extreme uitspraken, maar ‘vastestof’ is nu aan het gebeuren.’

U kwam net lachend uit de collegezaal, wat hebt u de studenten uitgelegd?

‘We hebben het gehad over waterstofatomen en moleculen. De eerstejaars kunnen nu verklaren waarom waterstof altijd per twee atomen, als H₂, door het leven gaat en helium als enkel heliumatoom. Ik hou ervan om naast mijn onderzoek ook te onderwijzen; om jonge wetenschappers scheikunde bij te brengen. Hun ogen lichten langzaam op als ze iets beginnen te snappen. Ineens kijken ze je dan met een heldere blik aan. Dat vind ik een van de mooiste ­dingen aan lesgeven.’

Geniet u net zo van onderzoek doen als van onderwijzen?

‘Ik vind het prachtig dat we steeds beter begrijpen hoe we materialen kunnen maken en dat we nog lang niet uitgeleerd zijn. Met nieuwe combinaties van verschillende componenten kun je nieuwe materialen maken. De laatste jaren richten we ons daarbij vooral op duurzame materialen. Wij zoeken naar oplossingen voor de verduurzaming van de energiesector.

Sinds ongeveer tien jaar maakt onze onderzoeksgroep nieuwe materialen voor batterijen. Overal gebruiken we batterijen voor: voor telefoons, laptops, auto’s en fietsen. Maar de grondstoffen om ze te maken zijn beperkt beschikbaar. Als iedereen in een elektrische auto gaat rijden, energie van zonnepanelen opslaat in thuisbatterijen en de hele scheikundige industrie moet geëlektrificeerd worden, dan komen we – als we de technologie van vandaag blijven gebruiken – grondstoffen te kort. In de toekomst hebben we daarom nieuwe materialen nodig die elementen bevatten waar je makkelijk aan kunt komen, die ruim voorhanden zijn en die het liefst ook beter werken dan de huidige lithiumionbatterijen.’

Wat voor materialen zitten er in een batterij?

‘In een oplaadbare lithiumionbatterij zitten twee elektroden waartussen lithium­ionen heen en weer bewegen. Die elektroden zijn niet hetzelfde. De ene is gemaakt van meerdere elementen waaronder kobalt, en de andere van koolstof. In het koolstofmateriaal zijn de atomen zo gestapeld dat het er op moleculair niveau uitziet als kippengaas. Tussen die opgestapelde lagen van kool­stofatomen kunnen heel goed lithiumionen met een hoge energie geparkeerd worden. Dat is wat je nodig hebt om een batterij op te laden.’

We hebben genoeg koolstof. Hoe zit dat met kobalt?

‘Dat is een knelpunt. Als we alles van telefoons tot auto’s willen elektrificeren, dan hebben we er niet genoeg van. Bovendien is kobalt duur. Daarom onderzoeken we alternatieve samenstellingen voor deze elektroden, die minder of zelfs geen kobalt bevatten. Maar het gaat niet puur en alleen om het vinden van een alternatief voor kobalt. Tegelijkertijd zijn we bezig met het creëren van een zo groot mogelijk energieverschil tussen de twee elektroden, en ­proberen we er zoveel mogelijk lithium­ionen te herbergen. Dan leveren de batterijen meer energie. Met een ­compleet nieuwe combinatie van elektroden kunnen we ­misschien veel meer energie opslaan. Meer energie opslaan met evenveel materiaal, gemaakt van beschikbare elementen: dat draagt bij aan duurzaamheid.’

‘Bij elke cyclus van laden en ontladen vreet het elektrolyt een beetje aan de elektroden’

Moet er naast het vervangen van kobalt nog meer veranderen aan batterijen om ze duurzamer te maken?

‘Ook de beschikbaarheid van lithium is beperkt. Natrium zou daar, in combinatie met andere elektrodematerialen, een alternatief voor kunnen zijn. Natrium is een van de twee elementen waaruit keukenzout bestaat, en is bijna onbeperkt beschikbaar.

Daarnaast kleven er nog behoorlijk wat nadelen aan het elektrolyt, de vloeistof die in de meeste huidige batterijen zit waar de ionen doorheen bewegen (zie ‘Lithiumionbatterijen in een notendop’, red.). Dat kan namelijk verdampen en ­vlamvatten wanneer het met ook maar het kleinste beetje zuurstof in aanraking komt.

Bovendien gaan vloeibare elektrolyten scheikundige reacties aan met de elektroden. Bij elke cyclus van laden en ontladen vreet het elektrolyt een beetje aan de elektroden. Mede daardoor loopt de batterij van je smartphone steeds sneller leeg en moet je hem na een tijdje vervangen. Volgens producenten gaat de batterij van je telefoon 500 tot 800 cycli mee. Dat betekent dat je hem, als je elke dag je telefoon oplaadt, na twee jaar moet vervangen. Een elektrolyt dat geen of minder reacties aangaat met de elektrode kan de levensduur verlengen. Elektro­lyten die niet vloeibaar zijn, maar uit een vaste stof bestaan, kunnen hier een oplossing voor bieden. Die zijn namelijk minder reactief. Voorwaarde is wel dat het elektrolyt mee kan bewegen met mechanische belasting in de batterij zelf.’

Lithiumionbatterijen in een notendop

Lithiumionen vormen, zoals de naam al suggereert, de basis voor lithiumionbatterijen. Een lithiumion is een lithiumatoom dat een elektron heeft afgegeven en daardoor positief geladen is. In een opgeladen batterij zitten de lithiumionen samen met hum elektronen in een koolstofelektrode aan de ene kant van de batterij, waar hun energie hoog is. Wanneer de batterij ingeschakeld wordt, bewegen de lithiumionen en hun elektronen naar de elektrode aan de andere kant, die kobalt bevat, waar hun energie lager is.

De lithiumionen leggen die weg af binnen in de batterij, door een geleidende vloeistof die het elektrolyt heet. Maar de elektronen van het lithium kunnen niet door het elektrolyt heen en moeten buiten de batterij om, door een stroomdraad, naar de andere elektrode. Die verplaatsing van elektronen zorgt voor de stroom die een apparaat doet werken.

Dit principe zie je in alle oplaadbare batterijen. De simpelste batterij is een plat knoopcelletje. Dat is eigenlijk een klein doosje. Als je het opent, zie een laagje roze koperfolie. Daarop zit een zwart laagje: een elektrode. In het andere dekseltje zit ook zo’n folie met een laagje erop: de tweede elektrode. Tussen de twee elektroden ligt een velletje zodat ze elkaar niet raken, anders krijg je kortsluiting. Dit stapeltje zit allemaal in een knoopcelletje en wordt doordrenkt met een vloeibare elektrolyt waarin de lithiumionen heen en weer kunnen bewegen.

Die beweging is er alleen als de lithium­ionen een drijfveer hebben om van de ene naar de andere elektrode te gaan. Als de elektrodematerialen gelijk zouden zijn, dan is die drijfveer er niet. In de koolstofelektrode is de energie van de lithiumionen en hun elektronen hoger dan in de elektrode die kobalt bevat. Daardoor is er een aantrekkingskracht richting de kobaltelektrode. Schakel je een batterij in, dan is de weg voor de elektronen vrij. De lithiumionen verplaatsen zich dan door de batterij, en de elektronen door de stroomdraad. Laad je de batterij weer op, dan duw je als het ware de elektronen en lithiumionen met behulp van elektrische spanning uit je stopcontact op dezelfde manier terug naar de koolstofelektrode.

Beweegt een batterij dan?

‘Wel op microscopische schaal. De lithium­ionen nemen ruimte in. Een elektrode groeit een heel klein beetje als er lithium in komt en wordt kleiner als dat weer weggaat. Het elektrolyt moet dus een beetje kunnen meegeven. Dat kan dus geen al te harde stof zijn, want die zou breken of afbrokkelen. Toch is dit wel de richting die we nu opgaan, die van de zogeheten vastestofbatterij.’

Waarom is de vastestofbatterij een goed idee terwijl er zo’n groot nadeel aan kleeft?

‘Omdat elektroden dus een stuk minder reacties aangaan met een elektrolyt dat van een vaste stof is gemaakt. Zeker in batterijen met een hoger voltage kan dit een groot voordeel zijn, want met name in dat type batterij gaan de elektroden veel reacties aan met een vloeibaar elektrolyt. Een vastestofbatterij gaat dus langer mee en kan een hoger voltage aan. Daarnaast is er een kleinere kans dat de batterij in brand vliegt. Daarom willen we de eigenschappen van een vaste stof combineren met de beweeglijkheid van een vloeibaar elektrolyt.’

Kan dat zomaar?

‘Hier ligt een grote uitdaging voor ons als scheikundigen. Elk element uit het periodiek systeem is een blokje met specifieke eigenschappen. Met al die blokjes kun je bijna oneindig veel verschillende combinaties bouwen. Scheikunde is eigenlijk een soort lego met het periodiek systeem als gebruiksaanwijzing.

Je kunt je inbeelden dat een opeenstapeling van atomen in een vastestofelektrolyt een open structuur moet hebben, zodat het ­lithium erdoorheen kan bewegen. Vergelijk het met kikkerdril. Het puntje binnenin is de kern van het atoom en de dril eromheen zijn de elektronen. Die bolletjes in z’n geheel zijn de atomen en die zitten in wolkjes bij elkaar. Je kunt heel makkelijk met je vingers door de kikkerdril gaan. Een vaste stof voelt voor onze vingers hard aan, maar op heel kleine schaal, zo klein als een atoom, heeft een lithiumion waarschijnlijk het gevoel dat het door kikkerdril heen beweegt.

Als je een vastestofelektrolyt zo kunt maken dat de lithiumionen er makkelijk doorheen bewegen, dat er hier een daar nog open kanaaltjes tussen de kikkerdril zitten, dan heb je een goed elektrolyt gemaakt.’

Wat is de volgende stap?

‘De eerste stap was een geschikte vaste stof vinden die als elektrolyt kan dienen. Uiteindelijk zijn we gekomen tot een gel die we ‘eutectogel’ noemen. Zo’n gel bestaat uit twee componenten: een poreuze vaste stof en een geleidende vloeistof. Vergelijk het met een spons die zich vol water heeft gezogen. De gel voelt aan als een gummibeertje: niet zo hard als een vaste stof, maar ook niet zo nat als water. De geleidende vloeistof die wij hiervoor hebben ontwikkeld verdampt niet, is goedkoop, zit niet te complex in elkaar en vat minder makkelijk vlam dan vloeibare elektrolyten.

In onze eerste versie van de eutectogel is de poreuze vaste stof in de gel nog niet ideaal. Je kunt het je voorstellen als poreus glas. Dat brokkelt heel makkelijk af, als een zanderig steentje. Het elektrolyt moet kunnen meebewegen met de elektroden die telkens een tikkeltje uitzetten en inkrimpen. Met een glasachtige spons in de gel gaat dat niet goed. Daarom onderzoeken we of we de poreuze vaste stof in de eutectogel kunnen vervangen door een soort zacht plastic dat je kunt indrukken. Eentje die kan meebewegen en die evengoed gecombineerd kan worden met de geleidende vloeistof.’

Zijn er nog andere onderzoekslijnen dan die van de vastestofbatterij die voor doorbraken kunnen zorgen?

‘Dat is lastig te voorspellen, maar naast de vastestofbatterij denk ik dat het materialenonderzoek van elektroden snel kan gaan. Zoals we al bespraken, treden er altijd kleine scheikundige reacties op tussen het elektrolyt en de elektroden waardoor een batterij steeds sneller leeg raakt en je hem vaker moet opladen. Dat willen we voorkomen en daarvoor moeten we de processen in een batterij op atomaire schaal begrijpen. ­Vervolgens kunnen we aanpassingen en oplossingen verzinnen. Zoals het gebruiken van andere metaalionen of het beschermen van het oppervlak van de elektrodematerialen zodat de elektroden intact blijven.

Maar zonder twijfel gaat de ontwikkeling van de vastestofbatterij de eerstvolgende verandering in de batterijindustrie zijn. Daar is het hele werkveld het over eens, tout court. Ik ben niet van de extreme uitspraken, maar ‘vastestof’ is nu aan het gebeuren.’

Knutselen met koolstof

Naast het onderzoek naar batterijmaterialen is Marlies van Bael met haar collega’s op zoek naar allerlei andere materialen die helpen om de CO₂-voetafdruk te verlagen. ‘Het liefst maken we alles van bouwstenen die ruim voorradig zijn’, zegt ze. ‘Neem koolstof, een basiselement waar je ontzettend veel mee kunt. Een paar jaar geleden zijn we begonnen om, in samenwerking met onderzoeksorganisatie TNO, koolstofdioxide uit de lucht om te zetten naar een bouwsteentje waarmee je andere stoffen kunt maken. We maken er bijvoorbeeld methaan van, dat als vervangen van fossiel aardgas kan dienen. Bij de verbranding van methaan ontstaat weer koolstofdioxide. Zo maak je een koolstofneutrale kringloop. Nóg beter is het als je er koolstofmonoxide of methanol van zou kunnen maken. Dit zijn bouwstenen die als basis kunnen dienen voor bijvoorbeeld vloeibare brandstoffen.’

Brandstoffen en andere bouwstenen maken uit koolstofdioxide vereist op dit moment nog wel heel veel energie – een flink nadeel. Van Bael: ‘Die energie wordt vooralsnog geleverd door het uitvoeren van reacties in grote drukvaten die verwarmd worden met fossiele brandstoffen. Dat moet duurzamer kunnen, vinden we. En dat kan ook! Je kunt nieuwe processen bedenken die je met elektriciteit uit ­hernieuwbare bronnen kunt aansturen. Daarnaast kun je de energie die nodig is om een scheikundige reactie te veroorzaken verlagen door het gebruik van katalysatoren. Dat zijn hulpstoffen die scheikundige reacties versnellen. Wij onderzoeken daarom hoe je nieuwe katalysatormaterialen kunt maken, en ook die proberen ­­­we – voor zover mogelijk – uit ruim beschikbare chemische elementen te maken.’

Welke industrieën gaan het eerst ­profiteren van de vastestofbatterij?

‘Ik denk eerst de transportsector, en dan met name de auto- en fietsindustrie. De veiligheid van accu’s van elektrische ­fietsen en auto’s wordt steeds meer aan de kaak gesteld. En met een vastestofelektrolyt kan de energie-inhoud van de batterij omhoog, wat dan weer zorgt voor een grotere actieradius per laadbeurt.

De drone-industrie volgt ons ook nauwlettend. Die zijn geïnteresseerd in een lichtgewichtbatterij die we met alternatieve materialen kunnen maken, zoals een lithium-zwavelbatterij. Drones kunnen doorgaans maar tien minuten in de lucht blijven hangen, mede door de zware batterijen die nu op de markt zijn. Met betere en lichtere batterijen kunnen ze binnenkort misschien zelfs wel pakjes rondbrengen.’

Wat gaan we hier als consument van zien?

‘Vermoedelijk niks. Hooguit merk je op dat je de batterij van je telefoon minder vaak hoeft op te laden. Of dat je meer kilometers kunt maken met een volledig opgeladen e-bike. Als de elektrodematerialen veranderen en het lithium vervangen wordt, dan zie je dat niet van de buitenkant. De vorm van een batterij gaat niet veranderen. Als consument zie je in feite alleen de verpakking ervan, het omhulsel. Je ziet niet dat de elektrodematerialen op een folie zijn geschilderd in een knoopcelletje. Of dat het folie met elektroden in een AA-batterij is opgerold tot een cilinder.’

‘We werken niet aan één perfecte batterij. Voor elke toepassing is een ander soort geschikt’

Gaat de batterij van de toekomst het milieu redden?

‘Uiteindelijk is ons ultieme doel een klimaatneutrale economie. Batterijen zijn niet het enige dat veranderd moet worden op energiegebied. Ze zijn slechts een onderdeel van een scala aan benodigde duurzame innovaties. Voor sommige toepassingen, zoals de zware scheepvaart of de luchtvaart, zijn batterijen wellicht niet sterk genoeg of te zwaar. Het gaat erom de juiste technologie voor de juiste toepassing in te zetten.

Je moet batterijtechnologie alleen inzetten als het de beste energiebron voor een specifiek doel is. Bovendien werken we niet aan één perfecte batterij. Voor elke toepassing is een ander soort batterij geschikt. Voor elektrische auto’s heb je een accu nodig die je snel kunt opladen, die je auto snel laat optrekken en die een grote actieradius heeft per laadbeurt. Voor een thuisbatterij is dat snel optrekken niet belangrijk, maar die batterij moet wel voortdurend in werking kunnen zijn en dagelijks opgeladen kunnen worden. Waarschijnlijk vinden we in de toekomst niet één alternatief, maar meerdere.’

CV Marlies van Bael (1972)
Marlies van Bael is hoogleraar scheikunde aan de Universiteit Hasselt. Ze promoveerde aan het Limburgs Universitair Centrum dat tegenwoordig Universiteit Hasselt (UHasselt) heet. In 2006 werd ze er universitair hoofddocent en in 2009 hoogleraar scheikunde.

Samen met collega An Hardy geeft ze leiding aan het onderzoeksteam ‘Design en synthese van anorganische materialen’. Dit team is onderdeel van het Instituut voor Materiaalonderzoek, van de UHasselt en het Interuniversitair Micro-Electronica Centrum (imec), en ingebed in Energyville, een samenwerkingsverband tussen Belgische onderzoeksinstellingen KU Leuven, VITO, imec en UHasselt.

Van Bael is sinds 2016 bestuurslid van het Fonds voor Wetenschappelijk Onderzoek in Vlaanderen.

Dit artikel is verschenen in New Scientist 97. Deze editie vind je in ons digitaal archief.