Is titaandioxide de oplossing voor het batterijprobleem?

Titaandioxide kan een belangrijke rol spelen bij het ontwikkelen van de volgende generatie oplaadbare batterijen.

Batterijen en accu’s zijn de toekomst. Ze worden gebruikt om elektrische auto’s aan te drijven en om elektriciteit op te slaan, los van het elektriciteitsnet. Batterijen spelen een belangrijke rol bij de overgang naar meer hernieuwbare energie, waardoor de vraag naar betere batterijen met een langere levensduur groter is dan ooit.

Het is niet eenvoudig om batterijen te maken die langer meegaan en een grotere capaciteit hebben. Er zijn nog diverse technische obstakels die overwonnen moeten worden. Titaandioxide is nog niet meteen commercieel inzetbaar, maar onderzoek heeft al wel aangetoond dat deze stof een belangrijke rol kan spelen in de batterij van de toekomst, met name in oplaadbare batterijen.

Lithium-ionbatterijen

Voor de opslag van grote hoeveelheden energie en voor oplaadbare batterijen worden vooral lithium-ionbatterijen gebruikt.

Dit type batterij kan energie vasthouden en vrijgeven door ionen te laten bewegen tussen de negatieve en positieve ‘kant’ (de elektroden) via een chemische stof, de elektrolyt. Bij het opladen van de batterij bewegen de ionen naar de negatieve elektrode. Wanneer de batterij wordt gebruikt, bewegen de ionen naar de positieve elektrode. Hierbij wordt elektrische stroom opgewekt.

In gewone batterijen kan het proces dat een elektrische lading opwekt maar één keer plaatsvinden, in één richting. In oplaadbare lithium-ionbatterijen is dit chemische proces omkeerbaar, wat betekent dat de batterij opnieuw gebruikt kan worden.

 

Waarom titaandioxide?

Titaandioxide (TiO2) kan de elektroden vervangen en het laadproces versnellen en is daardoor op verschillende manieren nuttig.

“TiO2 heeft een aantal eigenschappen die goed bruikbaar zijn voor oplaadbare batterijen”, zegt professor Colm O’Dwyer van de University of Cork uit Ierland, die hier onderzoek naar heeft gedaan.

“Ten eerste maakt titaandioxide een omkeerbare reactie met lithium mogelijk die relatief stabiel is vergeleken met het lithiumhoudende grafiet dat vaak wordt gebruikt in de elektrolyt. Omdat de cyclus veel vaker kan worden herhaald, hoeven batterijen minder snel gerecycled te worden.”

De mogelijkheid om batterijen opnieuw op te laden wordt steeds belangrijker naarmate er meer mobiele, elektronische apparaten worden gebruikt. Een andere belangrijke toepassing is de tijdelijke opslag van overschotten aan energie die wordt geproduceerd door zonnepanelen of windmolens.

Batterijen

 

Nanobuisjes

In 2015 ontwikkelde een team onderzoekers van de Nanyang Technology University (NTU) in Singapore een methode om titaandioxide in de vorm van nanodeeltjes om te zetten in nanobuisjes. Deze minuscule buisjes met een dikte van één duizendste van een mensenhaar worden gemaakt door te roeren, waarbij de deeltjes langer worden en een buisvorm ontstaat.

Een gel met daarin deze nanobuisjes werd in de negatieve elektrode van een lithium-ionbatterij geplaatst, in plaats van het traditionele grafiet, waardoor de chemische reactie in de elektrolyt sneller verliep. Het resultaat was een batterij die in nauwelijks twee minuten tijd kan worden opgeladen tot 70 procent van de capaciteit en naar verwacht 20 jaar bruikbaar blijft. Dit betekent dat de hoeveelheid afval van batterijen drastisch beperkt zou worden.

Tijdens het gebruik vallen de stoffen in een batterij uit elkaar, waardoor de batterij steeds minder sterk wordt. Professor O’Dwyer en zijn team hebben vorig jaar echter ontdekt dat het mogelijk is om een poreuze versie van titaandioxide aan een lithium-ionbatterij toe te voegen en dat de stoffen in de batterij dan intact blijven na meer dan 5000 keer op- en ontladen.

“Deze 3D-schikking van de nanodeeltjes in de rutielfase van titaandioxide wordt een ‘inverse opal’ genoemd en wordt gevormd door kunstmatig in een laboratorium gemaakte opalen te vullen met de actieve batterijstof”, zegt professor O’Dwyer.

“Inverse opaalstructuren komen in de natuur voor. Deze poreuze structuren vormen de kleurige, iriserende delen van vlindervleugels, pauwenveren, het exoskelet van kevers en de zeemuis, om maar een paar voorbeelden te geven.”

In een batterij is de poreuze versie van titaandioxide geleidend zonder de additieven nodig te hebben die momenteel worden gebruikt in de elektroden van batterijen voor commerciële toepassingen.

Een tweede voordeel is dat lithium goed reageert op de poreuze structuur, wat betekent dat de batterij snel oplaadt.

Lithiumbatterijen die TiO2 bevatten, kunnen lithium-titanaat- of LTO-batterijen worden genoemd. LTO-batterijen hebben een lange levensduur en zijn bovendien veiliger omdat de gebruikte stoffen stabieler zijn.

Nanodraden voor lithium-ionbatterijen

Een nanobos in een lithium-ionbatterij.

 

Er is meer dan lithium

Het gaat niet alleen om lithium-ionen.

Wanneer een lithium-ion van de ene elektrode naar de andere beweegt, verspringt er één elektron. Onderzoekers zijn nu aan het experimenteren met andere metalen, zogeheten multivalente metalen, waarin per ion twee of meer elektronen worden verplaatst. Deze efficiëntere reactie zou de capaciteit van de batterij met een factor twee of drie kunnen verhogen.

Het enige probleem is dat ze nog moeten bepalen wat voor materialen gebruikt moeten worden voor de componenten van deze batterijen.

Bij onderzoek dat in september vorig jaar werd gepubliceerd door een team waaraan werd deelgenomen door Dr. Benjamin Morgan van het Department of Chemistry van de University of Bath uit Engeland, werd vastgesteld dat een multivalente batterij kan werken wanneer de negatieve elektrode wordt vervangen door titaandioxide.

Het titaandioxide kan in dit geval worden aangepast om bepaalde gebreken te introduceren die ruimte creëren voor ionen zoals magnesium en aluminium (multivalente ionen), zodat meer dan één elektron tegelijk wordt overgedragen.

Het resultaat hiervan is dat een dergelijke batterij meer energie kan bevatten dan een lithium-ionbatterij van dezelfde grootte.

“We moeten nog heel wat technische obstakels overwinnen, zoals bepalen welke stoffen een goede elektrode zijn voor multivalente ionen”, zei Dr. Morgan destijds. “Op lange termijn bewijst dit concept dat een mogelijke stap vooruit kan worden gezet op weg naar nieuwe soorten batterijen met een hogere capaciteit.”

Dr. Morgan gaf aan dat het onderzoek naar nieuwe stoffen voor batterijen tot meerdere nieuwe toepassingen kan leiden, van mobiele apparaten tot tijdelijke opslag van energieoverschotten. Volgens hem worden efficiënte batterijen “steeds belangrijker naarmate wij de fossiele brandstoffen loslaten en overstappen op groenere energiebronnen.”

 

Toekomst

Een voordeel van het gebruik van titaandioxide in toekomstige batterijen is dat deze stof in overvloed aanwezig is.

Bovendien is “de vorm van TiO2, na reactie met lithium, cyclus na cyclus, erg stabiel in veel elektrolyten, wat een lange levensduur betekent”, zegt O’Dwyer.

Maar er zijn nog wel een paar uitdagingen. “TiO2 als anode (positieve elektrode) heeft een hogere spanning dan het momenteel gebruikte grafiet”, zegt O’Dwyer.

Een lagere spanning heeft meestal de voorkeur, omdat de spanning die de batterij geeft dan kan worden gemaximaliseerd. “Dit is niet bij alle oplaadbare batterijen nodig. Bij sommige toepassingen gaat het vooral om langdurige stabiliteit.”

Als titaandioxide geschikt kan worden gemaakt voor commerciële batterijtoepassingen, dan kan het een oplossing zijn voor bepaalde problemen, maar niet voor alle.

“Mogelijk is titaandioxide niet de meest optimale keuze voor batterijen met een hoge energiedichtheid, voor elektrische voertuigen bijvoorbeeld”, zegt professor O’Dwyer.

Maar hij voegt daaraan toe dat titaandioxide wel zinvol kan zijn voor andere toepassingen, zoals laptops of telefoons, “waarbij langdurig behoud van capaciteit belangrijk is.”