Nanopoeder als geest in de fles

Een ziekenhuis wil tijdens een stroomstoring de afdeling hartbewaking draaiende houden. Wat werkt dan beter dan een flinke batterij inschakelen die tijdelijk de stroomproductie voor zijn rekening neemt? Nog mooier is het als je die batterij tijdens een zonnige week met zonne-energie hebt opgeladen. Het zijn zomaar wat gedachtegangen die een van duurzame energie dromende euroambtenaar door het hoofd kunnen hebben gespeeld toen hij besloot Erik Kelder toe te laten tot het Network of Excellence. Goed voor zeven ton subsidie aan de TU en de nodige prestige. “De uiteindelijke toepassing van ons onderzoek ligt in de ontwikkeling van grote batterijen die je bij stroomuitval op het stroomnet kunt aansluiten”, zegt Kelder. “Dat is wat de EU kennelijk heeft aangesproken.”

Om Kelder een fabrikant van batterijen te noemen gaat wat ver. Als chemicus doet hij geen ambachtelijk knutselwerk. Hij probeert nieuwe opslagprincipes te vinden waarmee meer energie in een lithium-ionbatterij (veel gebruikt in mobieltjes) kan worden opgeslagen en er sneller uitgepompt kan worden. Kelder wil dit bereiken door met nanopoeders te werken. De sectie anorganische chemie heeft al jaren ervaring met fabricage van kleine structuren en Kelder wil nu verder onderzoeken hoe je nanokristallen van lithiummetaaloxide kunt maken, met de gewenste afmeting van ongeveer anderhalve tot tien nanometer.

“Maak je nanopoeders, dan heb je een veel groter opnameoppervlak. En het uitwisselingstraject, waar ionen worden afgestaan en elektronen opgenomen, is veel korter”, zegt Kelder. “Je kunt het vergelijken met een auto die naar de snelweg wil, dat gaat sneller uit een klein dorp dan uit het centrum van een grote stad.”

Kelder verwacht interessante thermodynamische verschijnselen als het hem lukt om de kristallen te fabriceren. “Het oxidatiegetal van metaalionen verandert door veranderende thermodynamische omstandigheden en kan zo stijgen van bijvoorbeeld twee naar misschien wel zeven”, zegt Kelder. “Dat betekent dat je veel meer lading kunt opnemen.” In de praktijk zal het oxidatiegetal misschien maar op vier blijven steken. “Maar dan nog heb je een verdubbeling van de lading die de elektrode kan afstaan.”

Met de deeltjestechnologen uit de groep van Jan Marijnissen wordt nu aan een verstuivingsmethode gewerkt om deze kristalletjes te fabriceren: elektrostatische sproeipyrolyse. Een nanosproeier brengt de deeltjes in de gasfase, waarbij ze in een ruimte met een temperatuur van tweehonderd tot zeshonderd graden Celsius met elkaar reageren. De kunst is hierbij om te zorgen dat het lithiummetaaloxide, nadat het één of tweemaal met een evenknie een kristal heeft gevormd, niet verder reageert. Omdat het een reactief goedje is moeten de kristalletjes zo snel mogelijk als nanopoeder afgevangen worden. Anders zou er één groot blok van de stof ontstaan.

De groep van Jan Marijnissen maakt ook nanopoeders via een lasersynthesemethode, waarbij reactieve gassen kortstondig worden verhit om zo met elkaar te reageren tot het gewenste product.

Het nanopoeder kent vele zegeningen, maar halleluja zal Kelder voorlopig nog niet roepen. Hij demonstreert dit met een potje siliciumcarbidepoeder, dat na een klein tikje al als een geest door de fles dwarrelt. “Dit is een nanopoeder dat we al jaren maken”, zegt Kelder. “In dit potje zit evenveel materiaal als in een eurocentmuntje, maar het neemt veel meer volume in terwijl we de batterijen met nanopoeder juist zo klein mogelijk willen houden. We kunnen de elektroden met nanopoeder magnetisch in elkaar knijpen maar het blijft voorlopig een zwak punt.”

Erik Kelder probeert nieuwe opslagprincipes te vinden waarmee meer energie in een lithium-ionbatterij (veel gebruikt in mobieltjes) kan worden opgeslagen en er sneller uitgepompt kan worden.

Een ziekenhuis wil tijdens een stroomstoring de afdeling hartbewaking draaiende houden. Wat werkt dan beter dan een flinke batterij inschakelen die tijdelijk de stroomproductie voor zijn rekening neemt? Nog mooier is het als je die batterij tijdens een zonnige week met zonne-energie hebt opgeladen. Het zijn zomaar wat gedachtegangen die een van duurzame energie dromende euroambtenaar door het hoofd kunnen hebben gespeeld toen hij besloot Erik Kelder toe te laten tot het Network of Excellence. Goed voor zeven ton subsidie aan de TU en de nodige prestige. “De uiteindelijke toepassing van ons onderzoek ligt in de ontwikkeling van grote batterijen die je bij stroomuitval op het stroomnet kunt aansluiten”, zegt Kelder. “Dat is wat de EU kennelijk heeft aangesproken.”

Om Kelder een fabrikant van batterijen te noemen gaat wat ver. Als chemicus doet hij geen ambachtelijk knutselwerk. Hij probeert nieuwe opslagprincipes te vinden waarmee meer energie in een lithium-ionbatterij (veel gebruikt in mobieltjes) kan worden opgeslagen en er sneller uitgepompt kan worden. Kelder wil dit bereiken door met nanopoeders te werken. De sectie anorganische chemie heeft al jaren ervaring met fabricage van kleine structuren en Kelder wil nu verder onderzoeken hoe je nanokristallen van lithiummetaaloxide kunt maken, met de gewenste afmeting van ongeveer anderhalve tot tien nanometer.

“Maak je nanopoeders, dan heb je een veel groter opnameoppervlak. En het uitwisselingstraject, waar ionen worden afgestaan en elektronen opgenomen, is veel korter”, zegt Kelder. “Je kunt het vergelijken met een auto die naar de snelweg wil, dat gaat sneller uit een klein dorp dan uit het centrum van een grote stad.”

Kelder verwacht interessante thermodynamische verschijnselen als het hem lukt om de kristallen te fabriceren. “Het oxidatiegetal van metaalionen verandert door veranderende thermodynamische omstandigheden en kan zo stijgen van bijvoorbeeld twee naar misschien wel zeven”, zegt Kelder. “Dat betekent dat je veel meer lading kunt opnemen.” In de praktijk zal het oxidatiegetal misschien maar op vier blijven steken. “Maar dan nog heb je een verdubbeling van de lading die de elektrode kan afstaan.”

Met de deeltjestechnologen uit de groep van Jan Marijnissen wordt nu aan een verstuivingsmethode gewerkt om deze kristalletjes te fabriceren: elektrostatische sproeipyrolyse. Een nanosproeier brengt de deeltjes in de gasfase, waarbij ze in een ruimte met een temperatuur van tweehonderd tot zeshonderd graden Celsius met elkaar reageren. De kunst is hierbij om te zorgen dat het lithiummetaaloxide, nadat het één of tweemaal met een evenknie een kristal heeft gevormd, niet verder reageert. Omdat het een reactief goedje is moeten de kristalletjes zo snel mogelijk als nanopoeder afgevangen worden. Anders zou er één groot blok van de stof ontstaan.

De groep van Jan Marijnissen maakt ook nanopoeders via een lasersynthesemethode, waarbij reactieve gassen kortstondig worden verhit om zo met elkaar te reageren tot het gewenste product.

Het nanopoeder kent vele zegeningen, maar halleluja zal Kelder voorlopig nog niet roepen. Hij demonstreert dit met een potje siliciumcarbidepoeder, dat na een klein tikje al als een geest door de fles dwarrelt. “Dit is een nanopoeder dat we al jaren maken”, zegt Kelder. “In dit potje zit evenveel materiaal als in een eurocentmuntje, maar het neemt veel meer volume in terwijl we de batterijen met nanopoeder juist zo klein mogelijk willen houden. We kunnen de elektroden met nanopoeder magnetisch in elkaar knijpen maar het blijft voorlopig een zwak punt.”

Erik Kelder probeert nieuwe opslagprincipes te vinden waarmee meer energie in een lithium-ionbatterij (veel gebruikt in mobieltjes) kan worden opgeslagen en er sneller uitgepompt kan worden.