Batterijen vliegen nog wel eens in de fik. Dankzij een nieuwe soort elektrolyt is dat straks niet meer mogelijk.

De beste batterijen van het moment zijn lithium-ion-accu’s. Maar lithium is schaars en de winning ervan veroorzaakt veel milieuschade. Wetenschappers zoeken daarom naar alternatieven, zoals natrium-ion-accu’s. Natrium is makkelijk te winnen uit zeezout.

Maar net als lithium-ion-accu’s hebben ze ook een flink nadeel: heel af en toe klappen ze nogal heftig uit elkaar en vliegen ze in de fik. Chinese onderzoekers denken een oplossing te hebben gevonden en beschrijven in vakblad Nature Energy een onbrandbare natrium-ion-batterij.

Lees ook:

• Deze accu-innovatie kan het bereik van elektrische auto’s mogelijk verdubbelen
• CT-scan legt risico van spotgoedkope batterijen bloot

Kettingreactie

Het gros van de tijd zijn lithium-ion-batterijen volkomen veilig; ze hebben veel ingebouwde veiligheidsmaatregelen. Maar er zijn er tegenwoordig zoveel om ons heen – denk aan smartphones, laptops, kruimeldieven, drones, e-bikes en elektrische auto’s – dat het soms toch fout gaat. In 2022 waren er in New York bijvoorbeeld meer dan 200 batterijbranden. Natrium-ion-batterijen worden nog niet veel gebruikt, maar kunnen ook in de fik vliegen.

In onderstaande video waarschuwt de brandweer van New York voor de gevaren van de batterijen.

Het probleem zit hem in de elektrolyt. Om de anode en de kathode van elkaar te scheiden, wordt een elektrolyt gebruikt die tijdens het laden en ontladen lithiumionen of natriumionen doorlaat. Maar die is gemaakt van stoffen die nogal explosief en brandbaar zijn.

Vliegt de elektrolyt onverhoopt in de fik, dan kan er een kettingreactie ontstaan. De hitte versnelt namelijk ongewenste chemische reacties waarbij extra hitte vrijkomt, waardoor verdere reacties in gang worden gezet. De temperatuur in de batterij kan zo in een seconde met honderden graden stijgen, met brand of een explosie als gevolg. Bij de reacties komt bovendien zuurstof vrij, waardoor de brand erg moeilijk te blussen is – vaak moet je wachten tot de batterij volledig is uitgebrand.

Fysieke barrière

De Chinese onderzoekers hebben daar wat op bedacht. Ze maakten een natrium-ion-batterij met elektrolyt die simpelweg niet kan vlamvatten. Wanneer de batterij goed functioneert is de elektrolyt – net als bij traditionele lithium-ion-batterijen – vloeibaar, maar wanneer de interne temperatuur van de batterij boven de 150 graden Celsius uitstijgt, ondergaat de elektrolyt een snelle chemische reactie en stolt. Zo ontstaat een vaste barrière die de verspreiding van hitte fysiek tegenhoudt. Hij blokkeert ook de ongewenste chemische reacties. De kettingreacties die normaal tot explosies leiden, kunnen hierdoor niet plaatsvinden.

Een extra voordeel is dat dit veiligheidssysteem volledig automatisch werkt. Je hebt geen computer of thermometer nodig om de temperatuur in de gaten te houden of een brand te detecteren. Het is simpelweg een chemische reactie die altijd plaatsvindt als de temperatuur gevaarlijk hoog wordt.

Spijkertest

Om te onderzoeken hoe veilig batterijen met deze nieuwe elektrolyt echt zijn, onderwierpen de wetenschappers ze aan een spijkerpenetratietest – een veelgebruikte methode om de veiligheid van batterijen te beoordelen. Door een spijker in een opgeladen batterij te drijven, wordt interne kortsluiting gesimuleerd; als de batterij daardoor vlamvat, slaagt hij niet voor de test. De nieuwe batterij vloog niet in brand en slaagde met vlag en wimpel; er ontstond niet eens rook.

De natrium-ion-batterij klapte ook niet uit elkaar toen de wetenschappers hem in een ruimte legden waar het 300 graden Celsius was. Dat laat volgens hen zien dat hun batterij inderdaad onbrandbaar is.

De onderzoekers hopen dat hun innovatie ertoe kan leiden dat natrium-ion-batterijen vaker gebruikt zullen worden, bijvoorbeeld in elektrische auto’s. Een nadeel is wel dat natrium-ion-accu’s iets lagere energiedichtheden hebben dan hun lithiumbroertjes. Maar volgens de Chinese wetenschappers weegt dat niet op tegen de voordelen van de duurzamere, goedkopere en veiligere natrium-ion-batterij.

Bronnen: Nature Energy, New Atlas

Openingsbeeld: Fire Department, City of New York