Molybdeenvanadiumoxiden worden al zo’n veertig jaar onderzocht op hun kwaliteiten als elektrodemateriaal voor lithiumionbatterijen (afb: https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2009/jm/b819629j

Driftig op zoek naar alternatieven voor ons destructieve verleden lijkt de mensheid weer af te stevenen op de volgende ramp: grondstoftekorten voor batterijen. Nu lijken onderzoekers een alternatief voor lithiumionbatterijen te hebben ontwikkeld dat niet alleen duurzaam zouden zijn, maar ook goedkoop: de calciumionbatterij.
Duurzaam, goedkoop en groen zijn vaak misbruikte termen. De belangrijkste les die we uit de klimaatcrisis zouden moeten trekken is dat de aarde grenzen heeft, niet alleen wat het eigen herstelvermogen betreft, maar ook wat de voorhanden grondstofvoorraden op aarde betreft. We rennen wel met zijn allen heel enthousiast achter allerlei zogenaamd groene of duurzame ontwikkelingen aan, maar hoe groen en duurzaam zijn die? Bovendien is niet een van de grootste problemen in dit verband ons, dat wil zeggen van de mensen in de rijke landen, enorme verbruik van energie en grondstoffen? Onderzoekers van het Rensselaerinstituut rond Nikhil Koratkar denken met hun calciumionbatterijen een bijdrage te leveren aan het ‘vergroenen’ van de energieopslag.
“Het overgrote deel van de oplaadbare batterijen en accu’s zijn gebaseerd op de lithiumiontechnologie, qua prestatie de gouden standaard”, zegt Koratkar. “Het zwakke punt daarvan vormt echter de prijs. Lithium is beperkt beschikbaar op aarde en de prijs daarvan is de laatste jaren aanzienlijk gestegen. We hebben een goedkope, ruim aanwezige, veilige en duurzame batterijtechniek ontwikkeld die calciumionen gebruikt in een waterige elektrolytoplossing.”
Calciumionen zijn groter dan lithiumionen en hebben een hogere ladingsdichtheid. Dat zou de diffusie en cyclische stabiliteit in een batterij in de war brengen, maar daar hebben Koratkar en zijn collega’s wat op gevonden. Ze creëerden in hun ontwerp grote open ruimtes (zeven- en tienhoekige kanalen). Hun calciumionbatterij gebruikten molybdeenvanadiumaxide als ‘zetel’ voor de calciumionen.
Koraktar: “Calcium is tweewaardig (lithium eenwaardig; as). Elk calciumatoom levert dus twee elektronen. Dat maakt het mogelijk een erg efficiënte batterij te maken die kleiner is en minder ionen nodig heeft. Doordat calciumionen groter zijn en een hogere lading hebben was het nogal lastig die in de elektroden in te passen.” De oplossing is gevonden in het molybeenvanadiumoxide dat als ionzetel dient en de gewenste ruimte (die genoemde kanalen) biedt.

Snel

Het bleek dat de calciumionen snel in en uit die ‘zetel’ kunnen komen. Daarbij dienen die kanalen als snelwegen voor de calciumionen. Volgens de onderzoeker zullen calciumionbatterijen binnen niet al te lange tijd de lithiumionbatterij van hun plaats verdringen voor het opslaan van energie, maar ook voor de levering van stroom voor mobiele toepassingen zoals telefoons en elektrische fietsen (elektrische auto’s zijn louter verspilling van energie en grondstoffen dus allesbehalve duurzaam).

Bron: Science Daily