Zonder deze batterij geen mobiele telefoons

Nobelprijs Scheikunde Het heeft een halve eeuw geduurd om de veilige oplaadbare accu’s te ontwikkelen die we nu kennen uit telefoons en elektrische auto’s. Drie mannen krijgen er een Nobelprijs voor. „Die batterijen hebben heel wat teweeggebracht.”

Een lithium-ionbatterij in een opengemaakte mobiele telefoon.
Een lithium-ionbatterij in een opengemaakte mobiele telefoon. Foto Brent Lewin/Bloomberg

Mobiele telefoons, laptops, elektrische auto’s, pacemakers: ze werken niet zonder krachtige, lichte, oplaadbare batterijen. De Nobelprijs voor Scheikunde ging woensdagochtend naar de drie grondleggers van de lithium-ionbatterij. De fysicus John B. Goodenough van de Universiteit van Texas in Austin is met zijn 97 jaar de oudste Nobellaureaat ooit.

De twee andere winnaar zijn de chemicus M. Stanley Whittingham van de Binghamton University, State University New York, en de chemicus Akira Yoshino van de Meijo Universiteit in Nagoya, Japan. Ze delen de prijs van 9 miljoen Zweedse kronen (ongeveer 825.000 euro), omdat ze alledrie fundamenteel hebben bijgedragen aan de ontwikkeling van deze herbruikbare vorm van energieopslag. In de loop van vijftig jaar bouwden ze op elkaars werk om tot de huidige lithium-ion batterijen te komen.

Lithium is het lichtste metaal dat we kennen. Dat is een fijne eigenschap voor een batterij, want zo wordt die niet snel te zwaar. Het metaal heeft ook een nadeel. Pure lithium is erg reactief, het explodeert als het in contact komt met water. Het is stabieler als het uiteen is gevallen in een negatief geladen deeltje (een elektron) en een positief geladen deeltje (een lithium-ion).

Whittingham ontdekte in de jaren 1970 dat juist deze eigenschap lithium een ideaal materiaal voor een spanningsbron maakt. Hij werkte in die tijd voor oliebedrijf Exxon. Door de oliecrisis was er grote behoefte aan alternatieve energiebronnen.

Elke batterij, ook bijvoorbeeld een AA batterij, heeft een min-pool en een plus-pool. Vanuit de min-pool stromen negatief geladen deeltjes, elektronen, door het apparaat dat elektrische energie moet krijgen, naar de pluspool.

Whittingham maakte een batterij met lithium aan de minpool. Hij ontdekte dat de stof titanium disulfide in de pluspool een goede combinatie daarmee vormde. Dat materiaal bestaat uit dunne laagjes, waartussen ruimte is voor de positief geladen lithiumdeeltjes uit de minpool. Terwijl die positief geladen deeltjes door de batterij heen van de min- naar de pluspool stromen, kunnen de negatief geladen elektronen buitenlangs het apparaat van stroom voorzien. En het mooiste: dit proces kan ook omgekeerd verlopen. Gekoppeld aan een spanningsbron kon hij deze batterij weer opladen.

Deze combinatie van stoffen zorgde voor een fenomenaal spanningsverschil tussen de plus- en de minpool van 2 volt. Gewone AA-batterijen leveren 1,5 volt.

Whittingham kreeg de opdracht om een commerciële lithiumbatterij te maken. Dat bleek nog niet zo eenvoudig met het reactieve lithium. Soms groeiden sprieten lithium dwars door de batterij van de ene naar de andere pool, met kortsluiting tot gevolg. Regelmatig moest de brandweer uitrukken om een brand te blussen in zijn lab.

Regelmatig moest de brandweer uitrukken om een brand te blussen in het lab

In de jaren 1980 daalde de olieprijs en verloor Exxon zijn interesse in de lithium-ionbatterij. De natuurkundige Goodenough raakte juist wel geïnteresseerd. Hij verving het materiaal van de plus-pool door kobaltoxide: kobalt gebonden met zuurstof. Door deze ingreep verdubbelde het hoge spanningsverschil in de batterij naar een verbluffende 4 volt.

Dat loste nog steeds niet het probleem met het reactieve pure lithium op. Dat deed de derde prijswinnaar, Yoshino, in 1985, door de minpool van een stof te maken die bestaat uit een raster van koolstof. Hij experimenteerde met verschilllende vormen van grafiet, en gebruikte uiteindelijk petroleumcokes, een bijproduct van de olie-industrie. Het resultaat was een veilige en lichte heroplaadbare batterij die nu klaar was voor grootschalige productie.

Marnix Wagemaker, hoogleraar elektrochemische energieopslag aan de TU Delft, is enthousiast over de bekroning van het onderzoek. „Deze drie mensen zijn de grondleggers van de lithium-ion batterij, die we overal in ons dagelijks leven gebruiken.” De batterij is nog lang niet uitontwikkeld, zegt hij. „Het is nu zaak om de batterijen goedkoper te maken, en een nog hogere opslagcapaciteit te geven.”

Ook Fokko Mulder, die aan de TU Delft materialen voor energie-opslag opzoekt, is blij met de erkenning voor het vakgebied. „Die batterijen hebben veel teweeggebracht, en we zullen ze steeds meer nodig hebben. Zonne-energie en windenergie worden nieuwe energiebronnen. Om die hanteerbaar te maken zal opslag een belangrijke rol gaan spelen.”

Lees ook: Waarom je mobieltje na een dag leeg is