Katholieke Universiteit Nijmegen

Nature publicatie: fundamentele aspecten nieuwe lithiumbatterij onderzocht

Zicht op deeltjestransport tussen vaste stoffen

Onderzoekers van de Katholieke Universiteit Nijmegen en de TU Delft hebben voor het eerst de tijd en de snelheid gemeten van het transport van geladen deeltjes tussen twee vaste stoffen. Nieuwe ontwikkelingen op het gebied van lithium-ion batterijen maken gebruik van milieuvriendelijke materialen zoals lithium in TiO2 (titaniumoxide). Het transport van lithium-ionen tussen lithium-rijk TiO2 en lithium-arm TiO2 was onderwerp van onderzoek. De resultaten van de onderzoekers worden vandaag, donderdag 25 juli, gepubliceerd in Nature.

Lithiumbatterijen worden over de hele wereld gebruikt. Het zijn echter batterijen die vanwege het cobalt (Co) prijzig en ook schadelijk zijn voor het milieu. Binnen het Delft Institute for Sustainable Energy (DISE) is men om die reden op zoek naar alternatieven die ook een bruikbare en constante batterijpotentiaal kunnen leveren maar minder belastend zijn voor het milieu.
"Het minder schadelijk titaniumoxide (TiO2) is een goed alternatief als we kijken naar de milieuaspecten", zegt Fokko Mulder, één van de Delftse onderzoekers, werkzaam bij het Delftse Interfacultair Reactor Instituut (IRI) en aangesloten bij DISE. "Titaniumoxide zit bijvoorbeeld ook in tandpasta en latex. Daarnaast is het een mooi modelsysteem voor de werking van een lithium-ion batterij materiaal."

Door het toevoegen van lithium aan TiO2 (´lithium intercallatie´) ontstaan er spontaan twee fasen. Een fase van TiO2 met veel lithium en een fase van TiO2 met weinig lithium. Tussen deze twee fasen onstaat een transport van deeltjes dat zorgt voor een thermodynamisch evenwicht tussen de fasen. Dat is vergelijkbaar met de stroom van deeltjes tussen bijvoorbeeld een vloeistoffase en haar damp. Er verplaatsen zich dus deeltjes tussen het lithium - rijke deel en het lithium - arme deel en weer terug. Dit transport van deeltjes zorgt voor evenwicht en daarmee een constante potentiaal van de batterij.

Met verschillende technieken (waaronder Nuclear Magnetic Resonance, NMR) hebben de onderzoekers vervolgens on line kunnen bepalen wat de afstand en de tijd is waarover de deeltjes worden getransporteerd. Mulder: "Een fundamentele vraag dus waarvan het antwoord kan bijdragen aan het inzicht waarom TiO2 en vergelijkbare materialen een succesvol alternatief vormen. Het is bovendien voor het eerst dat men in staat is om dergelijke metingen aan vaste stoffen uit te voeren." 25-7-2002