Ook batterij zonder lithium heeft toekomst

Onderzoeksproject NANEXBAT focust op verbetering structuur-eigenschapsrelaties van veelbelovende batterijmaterialen

Natriumionbatterijen gelden als een veelbelovend alternatief voor de nu nog dominante lithiumiontechnologie. Een belangrijk nadeel is echter nog hun lagere energiedichtheid. Het vijfjarige onderzoeksproject NANEXBAT streeft ernaar de onderliggende oorzaken daarvan bloot te leggen en hiervoor oplossingen te bedenken. Met een combinatie van geavanceerde simulaties, karakterisatietechnieken en duurzaamheidsanalyses werkt de projectgroep aan de volgende generatie duurzame batterijmaterialen.

Wouter Oude Groothuis - 15 september 2026

High performance

Technical manager van het NANEXBAT-project is Marnix Wagemaker, aan de TU Delft verbonden als universitair hoofddocent/associate professor. Hij steekt direct enthousiast van wal over 'zijn' projectonderwerp: "Een natriumionbatterij is qua werkingsprincipe vergelijkbaar met de lithiumionbatterij. De materiaalkosten liggen potentieel echter aanzienlijk lager. Daarnaast maakt deze technologie het mogelijk minder afhankelijk te worden van Li-ionbatterijen en de grotendeels door China gecontroleerde materiaalketen. Onderzoek laat zien dat nieuwe anodes, kathodes en elektrolyten veel potentie bieden qua laadsnelheid, levensduur en veiligheid, ondanks de lagere energiedichtheid."

Volgens Wagemaker is dat te verklaren doordat:

• natriumionen (Na⁺) groter en zwaarder zijn dan lithiumionen (Li⁺), wat betekent dat elektroden minder energie per massa-eenheid kunnen opslaan en hun energiedichtheid dus lager is;
• het redoxpotentiaal van natrium lager is dan dat van lithium. Na-ionbatterijen zitten vaak rond 3,0 - 3,3 V per cel, bij Li-ionbatterijen is dat doorgaans 3,6 - 3,7 V per cel.

De lagere energiedichtheid maakt natriumionbatterijen minder geschikt voor compacte, high-performancetoepassingen, al nuanceert Wagemaker dit enigszins: "High performance is meer is dan alleen energiedichtheid. Ook de laadsnelheid is daarbij relevant, en daarin is het Na-ion juist weer relatief sterk. Dit komt doordat het Na-ion groter en daardoor beter polariseerbaar (zachter) is dan het Li-ion."

Doelstellingen

NANEXBAT richt zich op het verbeteren van de structuur-eigenschapsrelaties van veelbelovende batterijmaterialen. Wagemaker licht dit toe: "De focus ligt op de interactie tussen materialen en processen in een werkende batterij. Daarbij wordt fundamenteel onderzoek aangevuld met duurzaamheidsanalyses, zodat we de gevolgen van opschaling van bepaalde materialen – variërend van materiaalwinning en verwerking tot CO₂-uitstoot, milieu-impact en kosten − kunnen evalueren. Die afwegingen zijn belangrijk omdat de prestaties van batterijen uiteindelijk grotendeels worden bepaald door de atomaire eigenschappen van de gebruikte materialen. Simulatieonderzoek en geavanceerde karakterisatietechnieken spelen bij dit alles een belangrijke rol."

Simulatieonderzoek

"Simulaties op atomair niveau maken het mogelijk complexe batterijmaterialen en -processen fundamenteel te begrijpen én nieuwe materialen te voorspellen. Ze geven inzicht in welke materialen en composities voldoende stabiel zijn, hoeveel natrium reversibel kan worden opgeslagen, hoe gemakkelijk Na-ionen bewegen en welke structuurveranderingen optreden tijdens het laden en ontladen. Deze kennis versnelt het testen, optimaliseren en ontwerpen van nieuwe materialen. Door AI als aanvullende laag te gebruiken kan dit proces verder worden versterkt, waardoor de ontdekking van nieuwe batterijmaterialen wordt versneld. Zo draagt deze aanpak bij aan efficiëntere materiaalontwikkeling, meer circulariteit en een lager verbruik van grondstoffen, energie en kosten", aldus de projectleider.

Moleculaire simulaties

• Density Functional Theory (DFT): berekent de elektronische structuur van materialen en voorspelt redoxgedrag, elektrodestructuur en activeringsenergieën van elektrochemische en diffusieprocessen;
• onderzoek naar ionen, oplosmiddel en grensvlakken om inzicht te krijgen in de kinetiek en selectiviteit van elektrochemische reacties.

Kinetische modellen

• Monte Carlo-simulatie: een wiskundige methode die met behulp van willekeurige steekproeven en kansverdelingen het statistische gedrag van ionen en elektronen voorspelt;
• ab-initio moleculaire dynamica: onthult atomair materiaalgedrag onder verschillende condities en voorspelt stabiliteit en kinetiek van elektroden en elektrolyten.

Structure-property relaties

• Analyse van de wijze waarop kristalstructuur en elektronische eigenschappen werkspanning en capaciteit bepalen, en optimalisatie van batterijmaterialen mogelijk maken;
• analyse van door cyclisch batterijgebruik veroorzaakte structurele veranderingen in kathode- en anodematerialen (degradatie, volumeveranderingen, faseovergangen), die de levensduur en veiligheid beïnvloeden.

Geavanceerde karakterisatie

Wagemaker voorziet ook dit begrip van een nadere toelichting: "Bij geavanceerde karakterisatie wordt gekeken naar de atomaire structuur en naar de manier waarop Na-ionen zich daarin bewegen. Dit inzicht kan worden verkregen door materialen rechtstreeks te meten, observeren en testen, waardoor hun eigenschappen en gedrag onder uiteenlopende omstandigheden in kaart kunnen worden gebracht en beter kunnen worden begrepen."

Er zijn daarbij drie hoofdcategorieën te onderscheiden:

Elektrochemische karakterisering

• Laden/ontladen gedurende vele cycli: biedt inzicht in de cyclische stabiliteit, het capaciteitsbehoud en de veroudering/degradatie van het materiaal bij herhaald gebruik;
• meten Coulomb-efficiëntie: geeft inzicht in capaciteitsverlies, reversibiliteit van reacties en de efficiëntie van energieopslag en -terugwinning: hoe dichter de waarde de 100% nadert, hoe geringer het verlies.

Materiaalonderzoek

• Röntgendiffractie: identificeert kristalfasen en geeft informatie over kristalstructuur, kristalgrootte, kristalliniteit (kristalgehalte) en mogelijke spanningen in het kristalrooster;
• elektronenmicroscopie: biedt inzicht in de morfologie van deeltjes of structuren, zoals deeltjesgrootte en -verdeling, morfologie, porositeit en ruimtelijke spreiding.

Mechanische en chemische duurzaamheid

• Cyclustest: deze signaleert onder meer veranderingen in elektrochemische prestaties, bepaalt de stabiliteit van elektroden en elektrolyt en de snelheid waarmee prestatieverlies optreedt;
• laboratoriumanalyse van prestaties en materiaaleigenschappen: hierbij wordt onder meer gekeken naar reactiekinetiek, (ionische en elektrische) geleidbaarheid, interne weerstand en efficiëntie van ladingsopslag en -overdracht.

Veiligheidstests worden vanzelfsprekend meegenomen in het onderzoek. Wanneer deze al in een vroeg stadium plaatsvinden, krijgen onderzoekers directe feedback over de praktische toepasbaarheid en de bijbehorende risico’s.

Verwachtingen

Ten aanzien van de mogelijke resultaten van het onderzoek is Wagemaker positief gestemd: "De looptijd van NANEXBAT is 5 jaar, terwijl de ontwikkeling van dit type batterijcomponenten tot aan introductie in commerciële producten toch al gauw 10 jaar of meer in beslag neemt. Toch verwachten we in die periode meerdere componenten succesvol te kunnen ontwikkelen, en ook dat dit onderzoek de basis zal leggen voor verschillende spin-offs en vervolginitiatieven die zich specifiek richten op verdere opschaling en de uiteindelijke toepassing in commerciële producten."