Onderzoekers in China hebben zojuist het enige opgelost dat natriummetaalbatterijen doodt. Het zijn dendrieten. Stekelige, naaldachtige gezwellen die door afscheiders steken en kortsluiting veroorzaken. Al jaren fatale fouten. Tot nu toe.
Een nieuw ontwerp, gepubliceerd in Nano-Micro Letters op 21 mei, laadt op in vier minuten. Slechts vier. Bovendien blijft de capaciteit jarenlang behouden. Geen kortsluiting. Geen dendrietdoorbraken.
De doorbraak is een taaie, quasi-vaste gelelektrolyiet genaamd Sn-FB QSE.
Natriummetaalbatterijen (SMB’s) zouden de erfgenaam van lithium-ion moeten zijn. Goedkoper. Veiliger. Overvloedige materialen. Maar ze hebben de slechte gewoonte om te veranderen in een explosieproject voor een wetenschapsbeurs. Waarom? Omdat natrium zeer reactief is.
Wanneer ionen door een batterij bewegen, vormen ze een laag die SEI wordt genoemd. Interfase vaste elektrolyt. Het moet de anode beschermen. Meestal werkt het prima. Het is 10 tot 50 µg dik, eigenlijk microscopisch klein. Met natrium barst het. Die scheuren nodigen uit tot ophoping van natriumionen. Ze vormen hobbels. Hobbels worden pieken. Spikes doorboren het membraan. Zap.
De Sn-FB QSE lost dit op. Het is halfvast. Sterk tegen lekke banden. Het voorkomt dat het natrium uitgroeit tot stalagmieten.
De testresultaten? Moeilijk te negeren.
Het team laadde en ontlaadde de cel gedurende ruim 6 uur. Zesduizend uur constant fietsen. Nul dendrieten doorboorden de barrière.
Ze hebben het laadtarief tot het uiterste gedreven. Van nul naar 100% in vier minuten. De batterij behield 80,1 mAh/g. Dat is ongeveer de helft van wat je zou zien in een eersteklas lithium-ionbatterij met dezelfde waanzinnige snelheid. Maar snelheid is niet de enige maatstaf.
Vertraag het. Opladen in 20 minuten in plaats van 4. Blijf doorgaan. Meer dan 2,00 cycli. De batterij behield 9% van zijn initiële capaciteit. Dit komt overeen met de theoretische limieten voor de huidige lithium-iontechnologie. Maar het kostte minder. Het is veiliger.
MKB-bedrijven combineren het goedkope, overvloedige karakter van natrium-iontechnologie met de hoge energiedichtheid en de kleine voetafdruk van lithium-ion.
Die maat doet ertoe. Lithium-ion is zwaar. Kobalt en lithium zijn zeldzaam, geopolitiek gevoelig en duur. Ze vatten ook gemakkelijk vlam. Natrium is overal. Vuil heeft er letterlijk meer van dan goud.
MKB-bedrijven gebruiken een metalen natriumanode. In tegenstelling tot standaard natriumionbatterijen, die grafiet gebruiken, is de metalen anode lichter. Veel lichter. De ionen zijn ook omvangrijk. Ze kunnen zich niet snel genoeg naar een bres haasten om een thermische op hol geslagen reactie te veroorzaken. Als de batterij lek is, werkt deze gewoon niet meer. Het barst niet in vlammen uit.
Elektrische voertuigen smeken hierom.
De huidige koning van snelheid is de BYD Denza. Het bereikt 70% van 10% in vijf minuten. Vijf. Maar daarvoor zijn gespecialiseerde 1MW-laders nodig die bij u in de buurt niet bestaan. Teslamodel 3? Vijftien minuten op een 250 kW-lader. Negentig minuten op een standaard stand van 50 kW. De meeste chauffeurs kunnen geen negentig minuten wachten.
Als het MKB werkt zoals beloofd, kan het bereik lager zijn dan bij lithium. Maar de vultijd krimpt van een uur naar een koffiepauze.
Openbaar vervoer bussen? Perfecte pasvorm. Woon-werk auto’s? Goede pasvorm. Ze zitten in depots en laden op terwijl de chauffeur slaapt of rust. Ze hebben niet het enorme bereik van een cross-country roadtrip nodig. Ze hebben betrouwbaarheid en snelheid nodig.
Maar verwacht niet snel een SMB-telefoon.
Telefoons worden heet. Ze krijgen het koud. Gelelektrolyten hebben een hekel aan temperatuurschommelingen. De chemie verandert. Prestaties dalen. De onderzoekers geven het toe. Dit heeft replicatie nodig. Het heeft schaalvergroting nodig. Het moet de harde realiteit overleven waarin het in de winter in een jaszak valt.
Zuiver natriummetaal is gevaarlijk spul. Het vervangen van de bekende grafietanodes die we nu hebben, is een sprong voorwaarts. Een grote.
Het zal een lang decennium worden.
Misschien komt de batterijrevolutie niet voort uit het maken van de perfecte energieopslag. Misschien komt het door het accepteren van een kleinere. Als het maar snel genoeg vol raakt.
Wat is uw geduldlimiet? Vijf minuten.
