Verschillende lithiumion batterijen voor gsm's. Phrontis/Wikimedia Commons/CC BY-SA 3.0

"Nobelprijslaureaten Scheikunde ontwikkelden de krachtigste batterij ter wereld, een weldaad voor de mensheid"

De Nobelprijs voor Scheikunde gaat dit jaar naar John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham en Akira Yoshino voor hun bijdrage aan de ontwikkeling van de lithiumionbatterij. Deze lichte, duurzame en oplaadbare batterij heeft ons leven radicaal veranderd aangezien ze draadloze, draagbare toestellen als gsm's, smartphones en laptops mogelijk heeft gemaakt. En ze zorgt ervoor dat een maatschappij zonder fossiele brandstoffen binnen handbereik komt, vermits ze gebruikt kan worden om elektrische auto's aan te drijven en energie van hernieuwbare bronnen op te slaan. Een verhaal met een chemisch element in de hoofdrol, lithium, waarin echter ook olie en de olieprijzen een belangrijke rol spelen. 

Het gebeurt niet vaak dat een chemisch element een centrale rol speelt in een drama, maar het verhaal van de Nobelprijzen voor Scheikunde heeft dit jaar duidelijk één hoofdrolspeler: lithium, een oud element dat al kort na de big bang ontstond. De mensheid werd zich voor het eerst bewust van het bestaan van lithium in 1817, toen de Zweedse scheikundigen August Arfwedson en Jöns Jacob Berzelius het isoleerden uit een staal mineralen uit de Utö-mijn. 

Berzelius vernoemde het nieuwe element naar het Griekse woord voor steen, lithos. Ondanks die zware naam is het het lichtste metaal en zelfs de lichtste vaste stof ter wereld. Wat maar gelukkig is ook, want het is de reden waarom we bijna niet voelen dat we onze smartphone bij ons hebben. 

Om helemaal juist te zijn, de Zweedse scheikundigen vonden niet echt puur metallisch lithium maar lithiumionen in de vorm van een zout. Puur lithium heeft al veel brandalarmen doen afgaan, niet in het minst in het verhaal waar het hier over gaat. Het is een onstabiel, erg reactief element dat in olie bewaard moet worden om te beletten dat het reageert met de lucht.

De zwakte van lithium, zijn reactiviteit, is ook zijn sterkte. Het feit dat het erg graag af wil van het elektron op zijn buitenste schil, betekent namelijk dat het erg geschikt is voor batterijen. Voor het begin van het verhaal van de lithiumionbatterij moeten we nu eerst 50 jaar terug in de tijd. 

Lithium is een scheikundig element met atoomnummer 3. Het is een metaal met slechts één elektron in zijn buitenste schil, en het wil dit elektron graag kwijtraken. Als dit gebeurt, blijft een positief geladen - en veel stabieler - lithiumion over. © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Smog door uitlaatgassen

In het midden van de 20e eeuw nam het aantal benzine- en dieselauto's aanzienlijk toe, en hun uitlaatgassen maakten de schadelijke smog in vele grote steden nog erger. Dit feit, in combinatie met het groeiende besef dat olie een eindige grondstof is, deed een alarmbel afgaan bij een aantal autofabrikanten en oliebedrijven. Ze beseften dat ze moesten investeren in elektrische auto's en alternatieve energiebronnen als hun bedrijven wilden overleven. 

Zowel elektrische auto's als alternatieve energiebronnen vragen krachtige batterijen die grote hoeveelheden energie kunnen opslaan. En op dat ogenblik waren er maar twee types herlaadbare batterijen op de markt: de zware loodbatterijen die in 1859 waren uitgevonden - en die nog steeds gebruikt worden om de motor van een benzine- of dieselauto te starten - en de nikkelcadmiumbatterijen die ontwikkeld waren in de eerste helft van de 20e eeuw. 

Een typische loodbatterij uit een auto. Public domain

Oliebedrijven investeren in nieuwe technologie

De dreiging dat de olie ooit op zou raken, bracht een van de oliegiganten, Exxon, tot de beslissing om zijn activiteiten te diversifiëren. Exxon deed een flinke investering in fundamenteel onderzoek en rekruteerde een aantal van de belangrijkste toenmalige onderzoekers op het gebied van energie. Die kregen de vrijheid om in essentie te doen wat ze wilden, zo lang het maar niets te maken had met aardolie. 

Stanley Whittingham was een van de onderzoekers die naar Exxon trokken in 1972. Hij kwam van de Stanford University in Californië, waar hij onder meer onderzoek had verricht naar vaste materialen met gaten ter grootte van een atoom in, waarin geladen ionen zich kunnen vasthaken, een fenomeen dat intercalatie genoemd wordt. De eigenschappen van het grondmateriaal veranderen als er ionen in gevangen zitten. 

Bij Exxon begonnen Whittingham en zijn collega's supergeleidende materialen te onderzoeken - materialen die erg goed elektriciteit geleiden -, onder meer tantaliumdisulfide, dat ionen kan intercaleren. De onderzoekers voegden ionen toe aan tantaliumdisulfide en onderzochten welke invloed dat had op het geleidingsvermogen. 

Onverwachte ontdekking

Zoals wel vaker het geval is in de wetenschap, leidde dit experiment tot een onverwachte en belangrijke ontdekking. Het bleek dat kaliumionen het geleidingsvermogen van tantaliumdisulfide beïnvloedden, en toen Stanley Whittingham het materiaal van dichterbij begon te bestuderen, stelde hij vast dat het een zeer hoge energiedichtheid had, er zat, met andere woorden, veel energie in opgeslagen.

De interacties die ontstonden tussen de kaliumionen en het tantaliumdisulfide waren verrassend energierijk, en toen hij het voltage van het materiaal mat, bleek dat enkele volt te bedragen. Dat was beter dan veel van de batterijen die op dat ogenblik op de markt waren. 

Whittingham besefte dat het tijd was om het over een andere boeg te gooien, en over te gaan tot het ontwikkelen van nieuwe technologieën die energie konden opslaan voor de elektrische wagens van de toekomst. Tantalium is echter een van de zwaardere elementen en niemand zat te wachten op nog een nieuwe zware batterij. Daarom verving Whittingham het tantalium door titanium,  een element dat gelijkaardige eigenschappen heeft maar veel lichter is.

Een lithiumionbatterij en haar oplader voor een pedelec, een snelle elektrische fiets. J.Hammerschmidt/Wikimedia Commons/CC BY-SA 3.0

Lithium in de negatieve elektrode

En hier doet lithium dan zijn intrede in het verhaal, als de negatieve elektrode in de vernieuwende batterij van Whittingham. Lithium werd niet zo maar gekozen. In een batterij moeten de elektronen van de negatieve elektrode, de anode, naar de positieve elektrode, de kathode, vloeien. Daarom moet de anode een materiaal bevatten dat makkelijk zijn elektronen vrijgeeft en lithium is van alle elementen het element dat het makkelijkst zijn elektronen loslaat. 

Het resultaat was een oplaadbare batterij die werkte bij kamertemperatuur en die een groot potentieel had, en een groot potentiaal - elektrisch vermogen. 

Stanley Whittingham trok naar het hoofdkwartier van Exxon in New York om uitleg te geven over zijn project. De meeting duurde 15 minuten en het managment kwam snel tot een besluit: men zou een commercieel leefbare batterij ontwikkelen gebaseerd op de ontdekking van Whittingham. 

Schema van de batterij van Whittingham. De eerste oplaadbare batterijen hadden vast materiaal in hun elektroden, dat afgebroken werd als ze chemische reacties aangingen met de elektrolyt, het medium dat de verbinding vormt tussen de twee elektroden. Dat vernietigde de batterij. Het voordeel van de lithiumbatterij van Whittingham was dat er lithiumionen waren opgeslagen in de ruimtes in het titaniumdisulfide in de kathode. Als de batterij gebruikt werd, vloeiden de lithiumionen van het lithium in de anode naar het titaniumdisulfide in de kathode. Als de batterij werd opgeladen, vloeiden de lithiumionen weer terug, zodat de elektroden niet afgebroken werden. © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

De batterij ontploft en de olieprijzen dalen

Jammer genoeg kende de groep die moest starten met de productie van de batterijen, een aantal tegenslagen. Als de nieuwe lithiumbatterij herhaaldelijk werd opgeladen, groeiden er dunne 'whiskers', snorharen, uit de lithiumelektrode. Als die de andere elektrode bereikten, werd de batterij kortgesloten wat kon leiden tot een ontploffing. De brandweer moest een aantal brandjes blussen, en dreigde er uiteindelijk mee het laboratorium de rekening te sturen van de speciale chemische stoffen die men moest gebruiken om lithiumbranden te blussen. 

Om de batterij veiliger te maken, werd er aluminium toegevoegd aan de metallische lithiumelektrode en de elektrolyt werd vervangen door een ander product. Stanley Whittingham maakte zijn ontdekking in 1975 bekend, en men begon de batterijen op kleine schaal te produceren voor een Zwitserse uurwerkmaker die ze wilde gebruiken in uurwerken op zonne-energie. 

Het volgende objectief was de herlaadbare lithiumbatterij groter te maken, zodat ze een auto zou kunnen aandrijven. De olieprijzen vielen in het begin van de jaren 80 echter flink terug, en Exxon moest besparingen doorvoeren. De ontwikkeling van de batterij werd stopgezet, en de technologie van Whittinham werd in licentie gegeven aan drie verschillende bedrijven in drie verschillende delen van de wereld. 

Dat wilde evenwel niet zeggen dat de ontwikkeling stilviel. Toen Exxon het opgaf, was het John Goodenough die de fakkel overnam.  

Als een batterij met puur lithium in de anode herhaaldelijk wordt opgeladen, ontwikkelen er zich 'snorharen' van lithium. Die kunnen een kortsluiting veroorzaken in de batterij en brand en zelfs ontploffingen veroorzaken. © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

De oliecrisis wekt de interesse van Goodenough in batterijen

John Goodenough had als kind aanzienlijke problemen met leren lezen, wat een van de redenen was waarom hij zich aangetrokken voelde tot wiskunde en uiteindelijk, na de Tweede Wereldoorlog, tot natuurkunde. Hij werkte lange tijd in het Lincoln Laboratory van het Massachusetts Institute of Technology (MIT), waar hij onder meer een bijdrage leverde aan de ontwikkeling van random access memory (RAM), nog steeds een fundamenteel onderdeel van computers. 

In de jaren 70 werd hij, zoals zo veel mensen, getroffen door de oliecrisis en hij wilde meewerken aan de ontwikkeling van alternatieve energiebronnen. Het Lincoln Laboratory werd echter gefinancierd door de luchtmacht van de VS, en het liet niet zomaar allerlei onderzoek toe. Toen Goodenough dan ook de positie aangeboden kreeg van professor anorganische chemie aan de prestigieuze Britse Oxford University, greep hij die kans met beide handen en stortte hij zich op onderzoek naar energie. 

Hogere voltages met kobaltoxide

John Goodenough was op de hoogte van de revolutionaire batterij van Whittingham, maar zijn gespecialiseerde kennis van het inwendige van materie, zei hem dat de de kathode van de batterij een hoger elektrisch vermogen zou kunnen hebben als ze vervaardigd was uit een metaaloxide in plaats van een metaalsulfide. Enkele mensen uit zijn onderzoeksgroep kregen de taak een metaaloxide te vinden dat een hoog voltage produceerde als het lithiumionen intercaleerde - opnam in de gaatjes op moleculair niveau -, maar dat niet ineenstortte als de ionen verwijderd werden. 

De systematische zoektocht was succesvoller dan Goodenough had durven hopen. De batterij van Whittingham leverde meer dan twee volt, maar Goodenough ontdekte dat de batterij met lithium-kobaltoxide in de kathode met vier volt bijna twee keer zo krachtig was.

Eén sleutel tot het succes was dat Goodenough besefte dat batterijen niet gefabriceerd moeten worden terwijl ze al geladen zijn, zoals men tot dan toe gedaan had. In de plaats daarvan konden ze achteraf opgeladen worden. In 1980 publiceerde hij de ontdekking van dit nieuwe materiaal voor een kathode met een hoge energiedichtheid, dat, ondanks zijn geringe gewicht, krachtige batterijen met een grote capaciteit opleverde. De ontdekking was een beslissende stap in de richting van de draadloze revolutie.  

Schema van de batterij van Goudenough. Goudenough begon kobaltoxide te gebruiken in de kathode van de lithiumbatterij. Dat verdubbelde het potentiaal van de batterij bijna en maakte ze veel krachtiger. © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Japan wil lichtgewicht batterijen voor zijn elektronica.

In het Westen nam de belangstelling voor investeringen in technologieën voor alternatieve energiebronnen en de ontwikkeling van elektrische voertuigen intussen af door de dalende olieprijzen. In Japan lagen de zaken evenwel anders: elektronicabedrijven waren wanhopig op zoek naar lichte herlaadbare batterijen voor hun innovatieve producten zoals videocamera's, draadloze telefoons en computers. 

Eén onderzoeker die deze behoefte opmerkte, was Akira Yoshino van de Asahi Kasei Corporatie. Of zoals hij het zelf zei: "Ik heb enkel zowat gesnuffeld om te zien in welke richting de zaken zich bewogen. Je zou kunnen zeggen dat ik een goede reukzin had." 

De eerste commercieel leefbare lithiumionbatterij van Yoshino

Toen Akira Yoshino besliste om een functionele oplaadbare batterij te ontwikkelen, had hij de lithium-kobaltoxide van Goodenough als de kathode en probeerde hij verschillende op koolstof gebaseerde materialen voor de anode. 

Onderzoekers hadden eerder aangetoond dat lithiumionen geïntercaleerd konden worden in de moleculaire lagen van grafiet, maar het grafiet werd afgebroken door de elektrolyt. Het grote eureka-moment van Yoshino kwam er toen hij in de plaats petroleumcoke probeerde, een bijproduct van de olie-industrie. 

Toen hij de petroleumcoke oplaadde met elektronen, werden de lithiumionen aangetrokken tot het materiaal, toen hij dan de batterij aanzette, vloeiden de elektronen en de lithiumionen naar het kobaltoxide in de kathode, die een veel hoger potentiaal - elektrisch vermogen - heeft. 

De batterij die ontwikkeld werd door Akira Yoshino is stabiel, licht, heeft een grote capaciteit en produceert een opmerkelijke vier volt. 

De meeste andere batterijen zijn gebaseerd op chemische reacties waarin de elektroden langzaam maar zeker worden veranderd, lees worden afgebroken. Als een lithiumionbatterij opgeladen of gebruikt wordt, vloeien de ionen tussen de elektroden zonder dat ze reageren met hun omgeving. Dat betekent dat de batterij een lange levensduur heeft en honderden keren opgeladen kan worden vooraleer haar prestaties slechter worden. 

Een ander groot voordeel is dat de batterij geen puur lithium bevat. Toen Yoshino in 1986 de veiligheid van de batterij aan het testen was, was hij voorzichtig en gebruikte hij daarvoor een inrichting die ontworpen was om explosieven te testen. Hij liet een groot stuk ijzer op zijn batterij vallen en er gebeurde niets. Toen hij dat experiment echter herhaalde met een batterij die puur lithium bevatte, volgde er een hevige ontploffing.

Het doorstaan van de veiligheidstesten was fundamenteel voor de toekomst van de batterij. Yoshino zei dan ook dat dit "het ogenblik was waarop de lithiumionbatterij geboren werd". 

Schema van de batterij van Akira Yoshino, die de eerste commercieel leefbare lithiumionbatterij ontwikkelde. Hij gebruikte het lithium-kobaltoxide van Goodenough voor de kathode en in de anode gebruikte hij een  materiaal gebaseerd op koolstof, petroleumcoke, dat eveneens lithiumionen kan intercaleren. Het functioneren van de batterij is niet gebaseerd op enige schadelijke chemische reactie. In de plaats daarvan vloeien de lithiumionen op en neer tussen de elektroden, wat de batterij een lange levensduur geeft. © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Nodig voor een samenleving zonder fossiele brandstoffen

In 1991 begon een groot Japans elektronicabedrijf de eerste lithiumionbatterijen te verkopen, wat geleid heeft tot een revolutie in de elektronica. Gsm's werden kleiner, computers werden draagbaar en men ontwikkelde MP3-spelers en tablets. 

Intussen hebben onderzoekers over heel de wereld de periodieke tabel uitgevlooid op jacht naar nog betere batterijen, maar niemand is er tot nu toe in geslaagd iets uit te vinden dat de grote capaciteit en het hoge voltage van de lithiumionbatterij kan verslaan. 

Wel is de lithiumionbatterij ondertussen veranderd en verbeterd. Zo heeft Goodenough onder meer het kobaltoxide vervangen door ijzerfosfaat, wat de batterij milieuvriendelijker maakt. 

Zoals bijna alles anders, heeft de productie van lithiumionbatterijen een impact op het milieu, maar er zijn ook grote voordelen op het gebied van milieu aan verbonden. De batterij heeft de ontwikkeling van zuiverder energietechnologieën mogelijk gemaakt en van elektrische voertuigen, en zo bijgedragen tot een verminderde uitstoot van broeikasgassen en deeltjes. 

Door hun werk hebben de Nobelprijslaureaten John Goodenough, Stanley Whittingham en Akira Yoshino de juiste voorwaarden geschapen voor een draadloze samenleving zonder fossiele brandstoffen, en zo voor het grootst mogelijk voordeel voor de mensheid gezorgd, zo besluit de Zweedse Koninklijke Academie der Wetenschappen. 

Dit artikel is gebaseerd op een perstekst van de Zweeds Koninklijke Academie der Wetenschappen.

Bekijk hier het fragment uit "Het Journaal" over de Nobelprijs voor Scheikunde:

Video player inladen...