KENNISPLATFORM VOOR LABORATORIA

REDACTIONEEL

EDITIE 39, OKTOBER 2019

 

Bertha en Frida: onmisbaar voor onderzoek organische batterijen

Blikvangers in de laboratoria van de onderzoeksgroep van Alexandru Vlad bij het Institute of Condensed Matter and NanoSciences (IMCN) van de Université catholique de Louvain (UCL) zijn twee enorme handschoenkasten. In deze kasten, die door de onderzoekers tot Bertha en Frida zijn gedoopt, vinden onder een beschermende ultradroge atmosfeer allerhande chemische reacties plaats in de zoektocht naar organische batterijen. Ook worden er testbatterijen met de nieuwe materialen geassembleerd.



Alexandru Vlad heeft in 2018 een deel van zijn ERC Consolidator Grant voor het MOOiRE project geïnvesteerd in twee door Salm en Kipp geleverde MBraun handschoenkasten, die ieder vier werkplekken bieden.

 

Een deel van de gevel moest eruit om met een hoogwerker twee MBraun gloveboxkasten op de plaats van bestemming te krijgen: de eerste verdieping van het MOST-gebouw, waar zich de laboratoria van de groep van professor Alexandru Vlad bevinden. Zijn groep maakt samen met twaalf andere onderzoeksgroepen deel uit van MOST (Molecular Chemistry Materials and Catalysis), dat weer onderdeel is van het Institute of Condensed Matter and NanoSciences (IMCN) van de Université catholique de Louvain (zie kader). De komst van de handschoenkasten was mogelijk door een ERC Consolidator Grant van € 2 miljoen, waarmee Vlad vijf jaar (van 2018 tot 2023) onderzoek kan doen voor het MOOiRE project. Doel van dit project is om nieuwe materialen en technologieën te ontwikkelen voor organische batterijen, met name metaalorganische verbindingen en frameworks (MOC/MOF's), die meervoudige, reversibele redoxreacties laten zien aan de kant van zowel de transitiemetaalkationen als de organische ligand-anionen. Dit moet op den duur leiden tot organische batterijen die qua spanning (4 V) en capaciteit (200 mAh/gram) in de buurt komen van de huidige anorganische batterijen, zoals Li-ion batterijen.

 

Duurzame Europese batterijtechnologie

Een belangrijke reden voor de EU om het onderzoek naar organische batterijen te stimuleren heeft te maken met de Europese afhankelijkheid van landen buiten Europa voor de belangrijkste grondstoffen van de huidige batterijen: vooral kobalt, maar ook lithium, mangaan en nikkel. Met een goed ontwikkelde organisch-chemische industrie zou je je met organische verbindingen op basis van C, N, H en O wat dat betreft nergens meer zorgen over hoeven te maken. Bovendien kom je zo ook tot een meer duurzame batterij-industrie, niet in de laatste plaats vanwege de mogelijkheden voor relatief gemakkelijke en energiezuinige recycling op basis van water- of solventextractie. Of verbranden, de CO2 opvangen en injecteren in een gesloten organische loop. Een andere driver is dat sommige anorganische grondstoffen op den duur helemaal niet meer beschikbaar zijn.

 “Er is een groeiende vraag naar elektrische auto’s die rijden op batterijen. Een van de hoofdcomponent van die batterijen is kobalt. Als je alle auto’s op de wereld op batterijen wil laten rijden, is er niet genoeg kobalt. Sterker, dat zou bij de helft van alle auto’s al het geval kunnen zijn. Als je dan ook de groei van batterijgebaseerde opslagsystemen voor wind- en zonne-energie meeneemt, kan je op je vingers uittellen dat om aan de groeiende vraag naar batterijen voor allerhande toepassingen te kunnen blijven voldoen nieuwe batterijtechnologie en -chemie noodzakelijk is. Niet zozeer als vervanging van, maar meer als aanvulling op, want de ideale batterij bestaat niet. Met de kennis van nu weten we bijvoorbeeld dat we in termen van volumetrische energiedichtheid met organische varianten niet competitief kunnen zijn op het gebied van autobatterijen. Die kunnen zomaar drie keer zo groot uitvallen. Daar heb je met andere toepassingen minder nadeel van, bijvoorbeeld energie-opslag thuis”, stelt Alexandru Vlad.


De nieuw ontwikkelde materialen worden in de glovebox verwerkt in knoopcellen, die vervolgens uitgebreid elektrisch worden getest op parameters als spanning, capaciteit en laadcycli.

 

Reversibele redoxreacties

Wereldwijd vindt onderzoek plaats aan zo’n twintig nieuwe batterijtechnologieën. Bij MOST gaat wat dat betreft de batterij helemaal op zijn kop, al blijft de configuratie in basis hetzelfde als bij de huidige, commercieel verkrijgbare NiMnCogebaseerde batterijen. “Eenvoudig gezegd vervangen we NiMnCo door een organische component die energie kan opslaan op basis van een reversibele redoxreactie. Aan de anode gaan we voor grafiet of een andere organische component die de negatieve elektrode vervangt. Ook aan de elektrolyten gaan we sleutelen. Een probleem bij organische batterijen is dat de organische componenten oplossen in de elektrolyt, wat we kunnen ondervangen met een andere samenstelling van de elektrolyten, met vaste elektrolyten of met een organische kathode die slecht oplosbaar is. Dit is niet de echte uitdaging in ons onderzoek; die ligt namelijk in het voltage van de cellen. Een state-of-the-art batterij kan een spanning van 4 V geven. De hoogste spanning die tot nu met organische varianten is gehaald, is 2,5 V. Recente experimenten wijzen erop dat we 3 tot 3,5 V kunnen halen, maar die resultaten moeten eerst worden gepubliceerd voordat ik er meer over kan vertellen”, aldus Alexandru. “Bovendien gaat dit wel ten koste van de energiedichtheid. Om het hoge voltage en de lage oplosbaarheid te behalen moeten de moleculen namelijk wat complexer zijn; er zitten wat meer functionele groepen aan. Dit betekent dat de massa omhoog gaat, wat dus een verlagend effect op de energie per massa-eenheid heeft.”

 


Postdoc Alae Eddine Lakraychi, die werkt aan de ontwikkeling van nieuwe organometallische verbindingen,bij Frida, de glovebox die wordt gebruikt voor assemblage van de batterijen en opslag. De andere glovebox, Bertha, is ook toegerust voor de synthese, extractie, isolatie en karakterisering van veelal instabiele of reactieve chemische verbindingen.

 

Organische Li-ion kathode

Een van de eerste resultaten in het kader van het ERC-MOOiRE project is de ontwikkeling van een organische Li-ion kathode. “Als je kijkt naar de onderliggende elektrochemie, dan worden alle organische componenten die tot nu toe zijn onderzocht vanuit de geoxideerde vorm gebruikt. Als je een batterij wil bouwen, is de materie al in een geladen toestand. Als je die koppelt met Li-metaal zal de batterij ontladen. Dat is echter niet de manier waarop de NiMnCo-batterij werkt. Bij deze batterijen heb je NiMnCo, dat in de gereduceerde vorm is, en is gekoppeld aan Li en grafiet. Als je dat oxideert komt er Li vrij van de kathode, en gaat het naar het grafiet toe. Een batterij wordt geladen door de kathode te oxideren en tegelijkertijd de anode te reduceren. Als je echter een geoxideerde component op de kathode hebt, kan je niet zowel de anode als de kathode reduceren. Het moet aan de ene kant worden gereduceerd, en aan de andere kant worden geoxideerd. Tot nu toe was er nog geen organische Li-ion kathode. Nu, als onderdeel van het ERC-project, hebben we dergelijke organische Li-kathodes ontwikkeld die kunnen worden gereduceerd en zich gedragen als een anorganische Li-ion kathode. Ze zijn stabiel in lucht en je kunt er je batterij mee bouwen”, legt Alexandru Vlad uit. “Bi-polair is ook een interessante benadering”, gaat hij verder. “Als je een organische component met een metaal mengt, dan kan je voor beter beschikbare metalen gaan, zoals Fe in plaats van Co, en kan de oplosbaarheid van de organische component worden verkleind door Fe te gebruiken als een crosslinker voor de organische bouwstenen. Het ijzer houdt de organische componenten een beetje samen en zorgt zo voor het minder snel oplossen. Bovendien kan het de opgeslagen lading van het organische deel plus die van het ijzer bevatten. Je kunt zo de energiedichtheid verhogen via het mechanisme van een bi-polaire redoxreactie, wat feitelijk een redoxreactie van de organische component en een redoxreactie van het ijzer is. Ook hier geldt dat de resultaten nog niet zijn gepubliceerd, dus over de aard van de organische component kan ik niet veel meer kwijt dan dat er carboxylgroepen aan zitten om de oplosbaarheid tegen te gaan.”

 

Bertha en Frida

Zowel de chemie achter de nieuwe materialen als het assembleren van de testbatterijen met die nieuwe componenten vindt plaats in een tweetal door Salm en Kipp geleverde MBraun handschoenkasten, die om verwarring te voorkomen allebei een naam hebben gekregen: Bertha en Frida. “Met een kleine twintig onderzoekers die regelmatig van de glovebox gebruik willen maken, was het aanvankelijke plan om één grote glovebox met 24 gloves aan te schaffen. Die paste echter niet in het laboratorium. Daarop hebben we het plan aangepast naar twee glovebox-configuraties, die ieder bestaan uit twee met elkaar verbonden handschoenkasten met aan beide kanten zes gloves. Per glovebox-configuratie kunnen zo vier mensen tegelijk in de glovebox werken aan een workbench van 3 bij 1,2 meter. Dus in totaal kunnen nu acht onderzoekers tegelijk werken onder de beschermende ultradroge en gasloze atmosfeer, die essentieel is om goed batterijonderzoek te kunnen doen.” In beide gloveboxen kunnen testbatterijen worden geassembleerd.

Hiervoor is het belangrijk dat alle elementen zo droog mogelijk zijn. In een van de gloveboxen (Bertha) kan ook chemie worden bedreven, bijvoorbeeld de synthese van instabiele of reactieve intermediairs, die je vervolgens ook kan extraheren, isoleren en karakteriseren. Bertha is volledig toegerust om dit onder een beschermende atmosfeer te doen, met ondermeer een centrifuge, filtratielijn, hot plate stirrer en FTIR-Raman.“Omdat we de volledige chemische synthese in de glovebox doen, hebben we ook te maken met intermediaire fasen, die niet stabiel zijn in lucht. Als je batterijen assembleert zijn de uitgangsbestanddelen stabiel, maar zodra je gaat ‘cyclen’, neemt de stabiliteit in lucht af. We ontwikkelen niet alleen nieuwe materialen, maar we willen ook begrijpen hoe het werkt, wat het onderliggende redoxmechanisme is, wat er gebeurt aan de verschillende polen. Hiervoor moeten we vaak de cellen disassembleren, de materialen extraheren en ze proberen te karakteriseren”, licht Alexandru toe.


Een van de laboratoria van de onderzoeksgroep van professor Alexandru Vlad, waar circa 10 van de 20 onderzoekers research doen op het gebied van organische batterijen.

 

Automatisch purgesysteem

Vanwege het gebruik voor chemische synthese is Bertha ook uitgerust met een monitoringsysteem voor VOC’s. “We gebruiken veel organische oplosmiddelen. Als het VOC-niveau stabiel is, is dat prima. Als het een bepaald niveau bereikt, gaan we regenereren, waarna we weer verder kunnen werken.” Het VOC-monitoringsysteem is niet nodig in Frida, de andere glovebox, waar de atmosfeer schoner blijft omdat er minder met oplosmiddelen wordt gewerkt. Naast assemblage van de batterijen wordt deze glovebox gebruikt voor opslag van natrium (dat nog reactiever is dan lithium), en andere gevoelige chemicaliën, zoals elektrolyten. Vanzelfsprekend wordt het zuurstofgehalte in beide gloveboxen gemonitord. Dit is gekoppeld aan een automatisch purgesysteem, dat er voor zorgt dat er geen irreversibele schade aan de machine en de chemie in de glovebox kan ontstaan door lucht, dat door onachtzaamheid van een gebruiker in het systeem kan worden gebracht.

“Bij systemen die we voorheen gebruikten moesten we, als we zagen dat het zuurstofniveau omhoog ging, manueel het purgesysteem sluiten en manueel de purge valve openen. Als dat niet goed gaat, kan het systeem heel veel atmosfeer ‘trappen’ die in de kolom terechtkomt, waarbij je tegelijkertijd hoge zuurstof-en waterniveaus in de glovebox behoudt. Met het automatische systeem vermijdt je dat. Je kunt het maximale zuurstofgehalte instellen en als dat niveau wordt bereikt, wordt automatisch gepurged. Het systeem zet dan ook de circulatie stil, anders komt de zuurstof nog steeds in de kolom. Pas als het zuurstofgehalte op het gewenste niveau is, wordt overgeschakeld naar normale circulatie”, aldus Alexandru Vlad, die weliswaar zelf niet veel onderzoek meer uitvoert in de glovebox, maar wel altijd betrokken is bij de installatie en onderhoud van de apparatuur en het opzetten van nieuwe procedures. “Ik wil in touch blijven met de machine om goed kennis over te kunnen dragen. Onderzoekers zijn er vaak maar tijdelijk. Ik begrijp het fundament van deze machine en kan vreemde waardes interpreteren. Hierdoor weet ik ook precies wat ik koop en komen we niet voor onvoorziene verrassingen te staan, ook niet met betrekking tot veiligheid die in het kader van ons werk met uiterst reactieve componenten heel belangrijk is. Daar plukken we voor ons onderzoek nu al meer dan een jaar de vruchten van!”

 

Salm en Kipp

www.salmenkipp.nl

 

MOST

uclouvain.be/en/research-institutes/imcn/most

 

 

Interdisciplinair materiaalonderzoek

De groep van professor Alexandru Vlad is een van de dertien onderzoeksgroepen binnen MOST (Molecular Chemistry Materials and Catalysis). MOST is onderdeel van het Institute of Condensed Matter and NanoSciences (IMCN) van de Université catholique de Louvain (UCL), dat verder bestaat uit BSMA (Bio- and Soft Matter), NAPS (Nanoscopic Physics) en MODL (Modelling). Al met al werken er zo’n 240 onderzoekers bij IMCN, waarvan ruim 130 bij MOST. Bij de groep van Vlad zijn circa 20 onderzoekers aangesloten, waarvan de helft onderzoek doet op het gebied van organische batterijen. Bij IMCN vindt interdisciplinair materiaalonderzoek plaats in de breedste zin van het woord, vanuit de moleculaire biologie tot aan anorganische chemie. Bij MOST ligt de nadruk op disciplines als katalyse, organische en anorganische chemie. BSME is het terrein voor onderzoek op het gebied van biomaterialen en polymeren. NAPS en MODL lopen voorop op het gebied van innovatie meetechnieken respectievelijk modelling, en faciliteren hiermee ook het onderzoek van MOST en BSMA.