Kostiantyn Kravchyk werkt in de groep van Maksym Kovalenko. Deze onderzoeksgroep is gebaseerd in zowel ETH Zürich als in Empa’s Laboratorium voor Dunne Films en het fotovoltaïsche lab. Het ambitieuze doel van de twee onderzoekers in de Empa-tak is om een batterij uit de meest voorkomende elementen in de aardkorst te maken – zoals magnesium of aluminium.
Veilig
Deze metalen bieden een hoge mate van veiligheid, ook al is de anode gemaakt van puur metaal. Dit biedt ook de mogelijkheid om de batterijen op een zeer eenvoudige en goedkope manier te monteren en de productie snel te scherpen.
Om dergelijke batterijen te laten werken moet de vloeibare elektrolyt bestaan uit speciale ionen die niet kristalliseren bij kamertemperatuur – dat wil zeggen een soort smeltvorming. De metaalionen verplaatsen heen en weer tussen de kathode en de anode omhuld in een dikke mantel van chloride-ionen.
Alternatief
Alternatief kunnen grote maar lichtgewicht organische anionen, die metaalvrij zijn, gebruikt worden. Dit komt wel met een probleem, maar waar moeten deze “geladen ionen” naar toe wanneer de batterij geladen is? Wat kan een geschikt kathodemateriaal zijn?
Batterij draaide “andersom”
Om het probleem op te lossen, heeft het team van Kovalenko de mouwen opgestroopt: de onderzoekers draaide het principe van de lithium-ionbatterij om. In conventionele Li-ion batterijen is de anode (de negatieve pool) van grafiet gemaakt, waarvan de lagen (in een geladen toestand) de lithiumionen bevatten. In Kovalenko’s batterij wordt de grafiet gebruikt als kathode (de positieve pool). De dikke anionen worden tussen de grafietlagen afgezet. In de batterij van Kovalenko is de anode van metaal.
Ontdekking
Kravchyk maakte een opvallende ontdekking tijdens het zoeken naar het ‘juiste’ grafiet: hij ontdekte dat afvalgrafiet, ontstaan in staalproductie, aangeduid als ‘kish graphite’, zorgt voor een geweldig kathodemateriaal. Natuurlijk grafiet werkt ook zo goed – als het in grove vlokken wordt geleverd en niet te fijn is vermalen.
De reden: de grafietlagen zijn open aan de randen van de vlokken en de dikke anionen kunnen dus gemakkelijk in de structuur glijden. De fijne grafiet die normaal gesproken wordt gebruikt in lithium-ion batterijen is echter niet geschikt voor de batterij van Kovalenko: door de grafietdeeltjes te slijpen worden de lagen gekromd als verfrommeld papier. Alleen kleine lithiumionen kunnen door deze verfrommelde grafiet penetreren, niet de dikke anionen van de nieuwe batterij.
Levensduur
De grafietkathode batterij die is vervaardigd uit staalproductie “kish graphite” of ruwe, natuurlijke grafietvlokken, heeft de kans om zeer kosteneffectief te worden. En als de eerste experimenten belovenen, is het ook langdurig. Gedurende enkele maanden heeft een laboratoriumsysteem duizenden ladings- en ontladingscycli overleefd.
“De aluminiumchloride-grafietkathode-batterij kan dertig jaar lang in het dagelijks gebruik van huishoudelijk gebruik worden,”