“Met de lithium-ion-batterij zitten we op 50 tot 60% van wat haalbaar is”, zegt IBM. “In de komende 5 tot 10 jaar willen we een batterij ontwikkelen die een elektro-auto met één lading 800 km verder helpt. Dat vraagt een batterijcapaciteit van zo’n 2000 Wh/kg.”

Proto over twee jaar

De beste lithium-ion-batterijen halen nu nog geen 200 Wh/kg. Dus die voldoen niet. Wat wel? “Lithium metaal-lucht”, zegt IBM. “De theoretisch haalbare capaciteit van zo’n batterij is 5000 Wh/kg. Binnen 2 jaar willen we een prototype gereed hebben dat 1000 Wh/kg haalt.”

Lucht van buiten

Het geheim van de lithium metaal-lucht-batterij is dat hij geen tweede chemische stof voor de reactie bevat. Dat houdt de cellen licht. Als de batterij stroom moet leveren zuigt hij lucht aan van buiten. De zuurstof daaruit reageert aan de kathode met Li+ ionen tot Li2O. Omdat de negatief geladen elektronen, die daarbij vrijkomen, het elektrolyt niet kunnen passeren, nemen zij de omweg via de stroomverbruiker.

Explosiegevaar

Een probleem is dat lucht niet alleen zuurstof bevat: “Lucht bevat ook water. En water en lithium samen zijn goed voor een explosieve reactie”. Om de lithium-anode en het vocht uit de lucht uit elkaar te houden, werkt IBM nu aan een nanomembraan, dat wel zuurstof doorlaat, maar geen waterdamp.

Het Canadese Moly Energy beschikte 20 jaar geleden nog niet over zo’n nanomembraan. Toen een door dat bedrijf geleverde oplaadbare lithium-metaal-batterij in 1989 spontaan vlam vatte ging Moly Energy failliet aan de juridische nasleep. Daarmee stopte toen de ontwikkeling van lithium-metaal-batterijen.

Meer problemen

IBM mag met zijn nanomembraan het explosieprobleem opgelost hebben, er wachten meer obstakels. Zo is IBM nu heftig op zoek naar betere katalysatoren om de omgekeerde reactie (het opladen) in gang te zetten. Verder moet het ontwerp van de kathode worden aangepast om te voorkomen dat het lithiumoxide, dat zich daar vormt, de stroom van inkomende lucht blokkeert.

Drie typen elektrolyt

De experimentele lithium metaal-lucht-batterij van het Japanse Advanced Industrial Science and Technology (AIST) biedt een oplossing voor de verstopte luchtwegen. Die batterij heeft aan de kathode een elektrolyt op waterbasis, de inkomende zuurstof wordt daarin omgezet tot OH-. Aan de anodekant bevindt zich een organisch elektrolyt. Een derde vast elektrolyt dat geen water doorlaat, maar wel Li+ ionen, voorkomt dat de lithium-anode en het water met elkaar in contact komen.

Lithium brandstofcel

Kortom, het gaat nog even duren, maar wie weet komt ie er, de batterij die een personenauto een serieus eind op weg helpt. Mooi, dan is die lange oplaadtijd ook meteen een stuk minder storend. Toch denken de Japanners ook daarover na: “Als er geen tijd is om op te laden wordt het vloeibaar elektrolyt vervangen door cassettes met vers elektrolyt en lithium. Dat concept noemen we de lithium-brandstofcel”.

Erwin den Hoed (Redactie Auto & Motor TECHNIEK)