Professor Jürgen Janek, een leidende figuur in de vastestofelektrochemie aan de Justus-Liebig Universiteit Giessen, bespreekt het verleden, het heden en de toekomst van energieopslag buiten lithium. Zijn werk, ondersteund door de prestigieuze Post-Lithium Storage (POLiS) Cluster of Excellence, loopt voorop bij de ontwikkeling van de volgende generatie batterijtechnologieën.
Van geschiedenis naar hoge geleidbaarheid: het pad naar solid-state batterijen
Janeks reis naar het veld was bijna toevallig. Aanvankelijk hield hij zich bezig met de geschiedenis, maar uiteindelijk koos hij voor scheikunde, gedreven door fundamentele hiaten in de bestaande kennis. Hij dankt vroege mentoren met een sterke natuurkunde- en materiaalwetenschappelijke achtergrond, evenals de samenwerking met Alan B. Lidiard, voor het vormgeven van zijn perspectief op ionentransport in vaste stoffen – een onderwerp dat historisch ondervertegenwoordigd is in de standaard scheikundecurricula. Dit besef dat vaste-stof-elektrochemie een brug sloeg tussen natuurkunde, scheikunde en techniek, dreef hem naar een veld waarvan hij geloofde dat het cruciaal zou worden voor toekomstige energietechnologieën.
De doorbraak die het onderzoek naar vaste stoffen versnelde
Een belangrijk keerpunt was het rapport van Ryuichi Kanno uit 2011 over de hoge lithium-iongeleiding in de sulfideverbinding Li10GeP2S12 (LGPS). Deze ontdekking – een geleidbaarheid die groter is dan die van vloeibare elektrolyten – zorgde voor snelle vooruitgang in de concepten van vastestofbatterijen. Janek merkt op dat deze doorbraak hevige mondiale concurrentie veroorzaakte om nieuwe vaste elektrolyten, een race die nog steeds voortduurt. Uit opkomend onderzoek blijkt dat zelfs hogere geleidbaarheidsniveaus haalbaar zijn met op natrium gebaseerde vaste elektrolyten, waardoor mogelijk duurzamere, krachtige batterijen mogelijk worden.
POLiS: Financiering van de toekomst van energieopslag
Het POLiS-cluster, gezamenlijk gerund door de Universiteit van Ulm, het Karlsruhe Institute of Technology en de Justus-Liebig Universiteit Giessen, is een belangrijke motor van dit onderzoek. Met een vernieuwde financieringsperiode van zeven jaar die in 2026 begint, is het doel van het programma om opties voor energieopslag buiten lithium te onderzoeken, waaronder natrium-, kalium-, magnesium-, calcium-, aluminium- en zelfs op anionen gebaseerde systemen. Hoewel lithiumbatterijen relevant zullen blijven, streeft POLiS ernaar de opslagtechnologieën te diversifiëren om de afhankelijkheid van één enkel element te verminderen en de veerkracht tegen geopolitieke verstoringen te vergroten.
Recente prestaties: beeldvorming van metaalanodes en magnesiumelektrolyten met hoge geleidbaarheid
De groep van Janek draagt aanzienlijk bij aan POLiS door middel van diepgaande studies van solid-state concepten, grensvlakreacties en ladingstransport. Recent werk, geleid door promovendi Till Ortmann en Till Fuchs, heeft geavanceerde microscopische beeldvorming van natrium- en lithiummetaalanodes mogelijk gemaakt met behulp van elektronen-terugverstrooiingsdiffractie, waardoor nieuwe wegen worden geopend voor het ontwerp van anoden. Het onderzoek van Clarissa Glaser heeft ook veelbelovende resultaten opgeleverd, waarbij vaste elektrolyten van magnesiumionen zijn gesynthetiseerd met een geleidbaarheid van 0,1 mS/cm – een stap in de richting van levensvatbare magnesium-ionbatterijen.
De cruciale rol van recycling
Het programma erkent dat duurzaamheid niet onderhandelbaar is. Janek benadrukt dat recycling vanaf het begin moet worden geïntegreerd in het ontwerp van nieuwe materialen en celconcepten, waardoor een circulaire economie voor deze technologieën wordt gegarandeerd.
Beyond Lithium: het voorspellen van de volgende gigawatt-schaal batterijtechnologie
Hoewel het voorspellen van de toekomst onzeker is, suggereert Janek dat natrium-ionbatterijen op het punt staan de volgende algemeen aanvaarde technologie te worden, na lood, lithium en natrium. Of andere chemicaliën ‘buiten lithium’ – zoals kalium, magnesium of aluminium – de gigawatt-schaal zullen bereiken, hangt af van hun prestaties en economische levensvatbaarheid. POLiS onderzoekt deze opties actief, in de hoop dat deze als een praktische grootschalige oplossing naar voren zullen komen.
Verbetering van de wetenschappelijke communicatie
Janek is van mening dat wetenschappelijke communicatie met de tijd mee moet evolueren. Hij pleit voor open access publiceren met strenge kwaliteitscontrole en roept op tot een actievere discussie over gepubliceerd onderzoek, waarbij hij zelfs de mogelijkheid suggereert om artikelen na publicatie aan te passen of te verbeteren – een concept dat de dynamische aard van de moderne wetenschap weerspiegelt.
Concluderend vertegenwoordigen het werk van professor Janek en het lopende onderzoek van POLiS een cruciale inspanning om technologieën voor energieopslag te diversifiëren en te verbeteren. Door zich te concentreren op materialen die verder gaan dan lithium en prioriteit te geven aan duurzaamheid, heeft dit onderzoek het potentieel om de toekomst van energieopwekking en -verbruik opnieuw vorm te geven.
