10/04/2024
Door Ad Spijkers
Door onconventionele ingrediënten in de juiste volgorde te mengen, kunnen complexe materialen met minder onzuiverheden ontstaan.
Door elektrificatie is de vraag naar batterijen enorm toegenomen. Wereldwijd wordt volop onderzoek naar efficiëntere, goedkopere en duurzamere materialen en productiemethoden. Nieuwe chemicaliën voor batterijen, halfgeleiders en meer zouden gemakkelijker te vervaardigen kunnen zijn.
Onderzoekers van de University of Michigan in Ann Arbor (bij Detroit) en het Advanced Materials Lab van Samsung in Cambridge (Massachusetts). hebben een nieuwe aanpak ontwikkeld voor het maken van chemisch complexe materialen. Hun nieuwe recepten gebruiken onconventionele ingrediënten om batterijmaterialen te maken met minder onzuiverheden. Hierdoor zijn minder dure verfijningsstappen nodig en wordt de economische levensvatbaarheid ervan vergroot.
Problematiek
In de afgelopen twintig jaar zijn veel batterijmaterialen met verbeterde capaciteit, laadsnelheid en stabiliteit ontworpen op de computer, maar niet op de markt gekomen. Vaak is een eenvoudig materiaal een goed uitgangspunt. Met toevoeging van een klein beetje van verbinding A en een klein beetje van verbinding B kunnen grote verbeteringen in capaciteit of oplaadsnelheid ontstaan. Deze chemische stoffen zijn echter complexe materialen en zijn vaak moeilijk op grote schaal en met hoge zuiverheid te vervaardigen.
Batterijmaterialen worden doorgaans gemaakt door verschillende oxidepoeders te mengen en in een oven te bakken. Deze poeders reageren echter na elkaar in plaats van allemaal tegelijk. De eerste twee ingrediënten die reageren, zijn meestal de ingrediënten die bij de reactie de meeste energie vrijgeven. De eerste reactie resulteert in een tussenverbinding die vervolgens reageert met het resterende poeder, enzovoort, totdat geen reacties meer mogelijk zijn.
Als de chemische bindingen in de tussenverbindingen moeilijk te verbreken zijn, reageren ze mogelijk niet volledig met de andere ingrediënten. In dat geval blijven de tussenproducten als ongewenste onzuiverheden in het uiteindelijke materiaal hangen.
Nieuwe strategie
De onderzoekers hebben een strategie ontworpen om materialen die niet vrij zijn van onzuiverheden betrouwbaarder te maken. De kunst is om slechts met twee ingrediënten tegelijk te werken en bewust onstabiele tussenproducten te maken die volledig reageren met de overige ingrediënten.
Om deze strategie te testen, ontwierp het team 224 verschillende recepten om 35 verschillende bekende materialen te creëren. Deze bevatten elementen die worden gebruikt in de huidige batterijen en de volgende generatie 'na lithium'-batterijen. Vervolgens werd getest of de recepten met deze 35 materialen minder onzuiverheden produceerden dan conventionele recepten. Het geautomatiseerde robotlaboratorium van Samsung kan elke 72 uur tot 24 verschillende batterijmaterialen synthetiseren.
Robotarmen verwerken de ingrediënten en bedienen de laboratoriumapparatuur die de zuiverheid van de resulterende materialen beoordeelt. Ondertussen registreren computers automatisch de resultaten van elk experiment, waardoor een database ontstaat die onderzoekers kunnen gebruiken om te bepalen welke recepten het beste werkten. Dankzij het automatische laboratorium kunnen de onderzoekers hun hypothese over diverse soorten batterijchemie in grote lijnen testen.
Resultaten
De experimenten bevestigden dat de nieuwe recepten met ingrediënten die ontworpen waren om onstabiel te zijn, doorgaans schonere producten opleverden. De nieuwe recepten verbeterden de zuiverheid van de materialen met wel 80%. Zes van de doelmaterialen konden alleen met nieuwe recepten worden gemaakt.
Er zijn meer gegevens nodig - ook van de niet-succesvolle recepten - om de productiestrategieën voor materialen te verbeteren. Meer robotlaboratoria zullen helpen de benodigde gegevens te genereren. Deze laboratoria liggen binnen bereik van veel onderzoeksinstellingen en zouden de ontwikkeling van materialen aanzienlijk kunnen versnellen. De opstartkosten voor de robotapparatuur bedragen ongeveer $120.000. Maar de opbrengsten in doorvoer, betrouwbaarheid en databeheer zijn van onschatbare waarde.
De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Foto: University of Michigan