Op lithium gebaseerde batterijen zijn al tientallen jaren een integraal onderdeel van ons leven en zijn vereist voor verschillende elektronische apparaten. Maar waarom zijn op lithium gebaseerde batterijen zo populair geworden en zijn er betere alternatieven? Wat zou op een dag op lithium gebaseerde batterijen helemaal kunnen vervangen?
Wat zijn op lithium gebaseerde batterijen?
Op lithium gebaseerde batterijen (lithium-ionbatterijen) zijn tegenwoordig het meest voorkomende type batterij. Het idee van op lithium gebaseerde batterijen werd voor het eerst voorgesteld in 1976 door Michael Stanley Whittingham, een Britse chemicus. Op lithium gebaseerde batterijen werden enkele jaren later, in 1991, voor het eerst op grote schaal commercieel verkrijgbaar, toen ze in massaproductie gingen.
Een op lithium gebaseerde batterij kan in vele vormen voorkomen, met als meest opvallende varianten lithium ijzerfosfaat, lithiumkobaltoxide, lithiummangaanoxide en lithiumnikkelmangaankobalt oxyde. Deze batterijen bevatten kleine krachtcellen, elk bestaande uit een positieve elektrode (kathode), een negatieve elektrode (anode) en een elektrolyt.
Binnen de cel bewegen lithiumionen tussen de positieve en negatieve elektroden, waarbij de elektrolyt als bewegingsvector fungeert. Lithiumionen (Li+) hebben een positieve lading en worden daarom aangetrokken door de negatieve elektrode. De twee elektroden zijn ook samengesteld uit belangrijke componenten. In het geval van een typische lithium-kobaltoxidebatterij is de kathode gemaakt van lithium-kobaltoxide, terwijl de anode meestal is gemaakt van een op koolstof gebaseerde verbinding die bekend staat als grafiet.
De kathode geeft een deel van zijn positieve lithiumionen af, die vervolgens door de elektrolyt naar de anode gaan, waardoor energie vrijkomt die de batterij zal gebruiken voor zijn vermogen. Dit snelle en eenvoudige proces wordt nu gebruikt door miljarden mensen over de hele wereld om hun apparaten van brandstof te voorzien.
Veel merken lithium-ionbatterijen zijn bedoeld voor eenmalig gebruik. Hoewel ze een apparaat weken, maanden of zelfs jaren van stroom kunnen voorzien, moet het worden weggegooid en vervangen zodra de batterij leeg is. Echter, oplaadbare lithium-gebaseerde batterijen zijn nu erg populair, omdat ze gebruikers geld kunnen besparen en minder afval produceren.
Maar waarom zijn op lithium gebaseerde batterijen precies de beste keuze? Wat maakt ze zo aantrekkelijk voor fabrikanten en consumenten?
Waarom gebruiken we op lithium gebaseerde batterijen?
We gebruiken voornamelijk op lithium gebaseerde batterijen vanwege hun lange levensduur in vergelijking met andere batterijtypes. Fabrikanten willen batterijen produceren en verkopen die een paar dagen stroom leveren en tegelijkertijd licht en compact blijven. Verder, volgens de Instituut voor Schone Energie, Lithium-ionbatterijen hebben een zeer lage zelfontlading van ongeveer 1-2% per maand, wat betekent dat ze bij elk gebruik een lager percentage van hun totale stroomcapaciteit verliezen.
Lithium-ionbatterijen kunnen via een eenvoudig chemisch proces energie opwekken, waardoor ze een zeer aantrekkelijke optie zijn voor fabrikanten. Bovendien maakt de energiedichtheid van lithium-ionbatterijen ze de meest geprefereerde optie. Een standaard lithium-ionbatterij heeft een capaciteit van 260-270wh/kg (wattuur per kilogram), terwijl loodzuurbatterijen slechts een capaciteit kunnen bereiken van 50-100wh/kg (volgens Libelle energie). De energiedichtheid van lithium-ionbatterijen is ook een belangrijke reden waarom ze dat zijn veel gebruikt in elektrische voertuigen.
Vanwege deze factoren zijn op lithium gebaseerde batterijen populair bij het grote publiek en zijn ze niet duur in aanschaf. Hoewel bepaalde merken of modellen batterijen een hogere prijs kunnen hebben, zijn standaard op lithium gebaseerde batterijen over het algemeen redelijk betaalbaar en verkrijgbaar in miljoenen winkels over de hele wereld.
Maar lithium-ionbatterijen zijn zeker niet perfect. Er zijn zelfs enkele opvallende problemen verbonden aan deze ongelooflijk populaire stroombron.
Het probleem met op lithium gebaseerde batterijen
Een van de grootste problemen van lithium-ionbatterijen is de enorme hoeveelheid afval die ze produceren. Veel mensen kiezen ervoor om batterijen via het reguliere afval weg te gooien zodra ze leeg zijn, wat schadelijk is voor het milieu.
Wanneer lithium-ionbatterijen samen met ander algemeen, niet-recyclebaar afval worden weggegooid, komen ze op een stortplaats terecht. Als ze hier eenmaal zijn geland, kunnen hun componenten uitlogen en de omgeving ernstig beschadigen. Lithium, nikkel, kobalt en mangaan kunnen allemaal ernstige besmettingsrisico's met zich meebrengen en zijn allemaal aanwezig in verschillende op lithium gebaseerde batterijtypes.
Bovendien schaadt de lithiumextractie voor dit batterijtype ook onze planeet. Lithium kan worden gewonnen via zoutwinning of verdamping, waarbij beide processen een akelig effect hebben op het milieu. Verontreiniging, verhoogd zoutgehalte van het water, CO2-emissies en verlies aan biodiversiteit zijn allemaal zorgwekkende bijwerkingen van lithiumwinning.
Aangezien de markt voor lithiumbatterijen tussen 2020 en 2026 naar verwachting met 14,6 procent zal groeien (zoals gerapporteerd door Statistisch), is het waarschijnlijk dat het proces van lithiumwinning een bedreiging voor het milieu zal blijven vormen. Dit is ook een groeiende bezorgdheid in de EV-productie-industrie.
Dus, wat zijn de alternatieven?
De top 4 op lithium gebaseerde batterijalternatieven
1. Zoutwater Batterijen
Zoutwateroceanen bedekken tweederde van onze planeet. Dus, hoe kan deze bron worden gebruikt voor energieopwekking?
Zoutwaterbatterijen gebruiken een geconcentreerde zoutoplossing om stroom te produceren. Zoutwaterbatterijen bevatten ook een anode en een kathode, waarbij de zoutoplossing fungeert als elektrolyt (of vector) voor positieve natriumionen (Na+-ionen). De natriumionen reizen van de kathode naar de anode en produceren energie.
Echt zeewater wordt niet gebruikt in zoutwaterbatterijen, maar massale hoeveelheden zout kunnen uit de oceaan worden geoogst en voor deze batterijen worden gebruikt. Het gebruik van zout water om batterijen te maken zou veel minder schadelijk kunnen zijn voor het milieu dan de extractieprocessen die worden gebruikt voor lithium, kobalt, nikkel en andere metalen die in batterijen worden gebruikt.
2. Glazen batterijen
Glazen batterijen klinken misschien een beetje ongewoon, maar ze hebben een groot potentieel. De glazen batterij is een relatief nieuw idee, voor het eerst geconceptualiseerd door natuurkundige John Goodenough in 2017. Deze batterij, bekend als de "Goodenough-batterij", gebruikt glas als elektrolyt. Terwijl batterij-elektrolyten meestal in vloeibare vorm worden geleverd, is de glazen batterij volledig vast.
Het gebruik van een vaste elektrolyt is aanzienlijk veiliger dan vloeibare elektrolyten, waardoor de kans op brand wordt verkleind en het risico van uitloging op stortplaatsen wordt weggenomen. Bovendien kan de glazen batterij langer meegaan dan lithium-ionbatterijen, waardoor ze over het algemeen een duurzamer alternatief zijn. Natrium wordt ook gebruikt in de glazen batterij, die, zoals vermeld bij de bespreking van zoutwaterbatterijen, een duurzamere hulpbron is dan traditionele batterijmetalen.
3. Natrium-zwavelbatterijen
Natriumzwavelbatterijen (NaS) zijn een vorm van vloeibare batterijen die gebruik maken van gesmolten anodes en kathoden. In dit geval zijn de anode en kathode in vloeibare vorm, waarbij de eerste gesmolten natrium is en de laatste gesmolten zwavel. Deze batterijen bestaan al sinds de jaren zestig voordat de lithium-ionbatterij werd uitgevonden. Maar welk potentieel heeft de NaS-batterij in onze wereld?
Een groot voordeel van natrium-zwavelbatterijen is hun hogere energiedichtheid dan lithium-ionbatterijen. In werkelijkheid, onderzoekers aan de Universiteit van Sydney creëerde in 2022 een natrium-zwavelbatterij met vier keer de energiecapaciteit van lithium-ionbatterijen. Bovendien zijn natrium-zwavelbatterijen minder giftig dan lithium-ionbatterijen, wat goed nieuws is voor het milieu.
4. Hennep Batterijen
Je zou niet denken dat hennep de potentie heeft om lithium-ionbatterijen te vervangen, maar deze plant heeft haar veelzijdigheid opnieuw bewezen. Deze batterijen hebben echter een voorbehoud: ze gebruiken nog steeds zware metalen zoals lithium om te werken.
Eco horloge meldt dat een voorbeeld van een door hennep aangedreven batterij, ontwikkeld door onderzoekers in 2022, lithium en zwavel gebruikt bij het opwekken van energie. Het verschil hier is dat andere zware metalen, zoals nikkel of kobalt, niet worden gebruikt en dat de batterij zelf betere prestaties levert dan traditionele lithium-ion-varianten. Dit komt omdat de hennep de kathode helpt om zijn levensduur te verlengen door herhaalde cycli.
Op hennep gebaseerde batterijen zijn ook kosteneffectiever en worden overwogen voor gebruik in elektrische voertuigen. Voor meer informatie over de verschillende soorten EV-batterijen, bekijk onze speciaal stuk over het onderwerp.
De batterij-industrie kan in de toekomst veel groener worden
Met zulke veelbelovende alternatieven voor lithium-ionbatterijen die al in de maak zijn, is het spannend om na te denken over de toekomst van de batterij-industrie. Als dergelijke alternatieven succesvol worden gecommercialiseerd, kunnen we talloze milieuproblemen en rampen voorkomen. Al met al is het een win-winsituatie voor lithium-ionvervangers!
