De stormachtige geboorte van de lithium batterij

Samenvatting

De geschiedenis van de ontwikkeling van de moderne lithium battery is een een verhaal vol van patentenmisbruik en -strijd.
 

De stormachtige geboorte van de lithium batterij

22 sep 2011     Zoals met zovele succesvolle technische ontwikkelingen is gegaan - recentelijk bijvoorbeeld de tablet-pc, met het gevecht tussen Apple en Samsung - heeft ook de ontwikkeling van de lithium-ion batterij een stormachtig begin gekend.

Het gevecht rond de lithium-ion batterie begon begin 60-er jaren. De loodaccu was toen de gebruikelijke traktiebatterij. De belangrijkste eigenschappen daarvoor zijn:
- het vermogen om de opgeslagen energie in een korte tijd weer af te staan
- een lage inwendige weerstand, voor lage conversie verliezen.

Lithium batteriijen werden reeds gebruikt voor lichte toepassingen in computer, communicatie en huishoudelijke electroniche producten. Lithium werd daarin altijd gebruikt samen met oxiden van metalen zoals kobalt mangaan of nikkel. Het zwaardere werk was het domein van de nikkelcadmium en loodaccu's.

In die periode werd in de groep van John Goodenough op de Universiteit van Texas in Austin, Texas, onderzoek gedaan naar de eigenschappen van chemische verbindingen met ijzer.
In zijn team zaten de wetenschappers: Shigeto Okada, een wetenschapper van de Nippon Telegraph and Telephone,NTT en de studenten Akshaya Padhi en Kirakodu Nanjundaswamy.

In zijn eerste vakantie periode deed Padhi, tijdens de afwezigheid van Goodenough, een paar experimenten met lithium-ijzer-fosfaat, een synthetisch mineraal genaamd tryphyliet. Tot zijn verrassing bleek het materiaal bruikbaar te zijn als accu-electrode. De opslagcapaciteit was echter gering en de inwendige weerstand veel te groot, maar toch besloten Goodenough en Padhi in 1996 de resultaten te presenteren op de conferentie van de ElectroChemical Society in Los Angeles.

Michel Armand, professor op de Universiteit van Montreal en consultant voor de firma Hydro-Quebec, hield zich bezig met de ontwikkeling van nieuwe batterijen. Hij had reeds in 1970 een batterij uitgevonden op basis van vloeibaar lithium en een vaste polymeer en vermoedde dat Armand's materiaal goed bruikbaar zou zijn als electrode voor zijn batterij. Het een en ander resulteerde in een exclusieve licentie voor Hydro-Quebec op de fabrikage en verkoop van lithium-ijzer-fosfaat, LiFePO4, in Noord Amerika.

Het probleem van de slechte geleidbaarheid kon volgens Armand opgelost worden door gebruik te maken van uiterst kleine -nanokorreltjes- van het poeder. Kleine deeltjes hebben immers een grote oppervlak- volume verhouding, zo redeneerde hij en daardoor zou de electrische geleiding sterk kunnen verbeteren.
Zij maakten hun poeder door een lithiumverbinding, ijzer en fosfor, waaraan een koolstofhoudend bindmiddel was toegevoegd, in zuurstof te verhitten. De verbranding van dit mengsel zorgde voor uiterst kleine korreltjes bedekt met een dun laagje koolstof.

En, naar nu blijkt, werd dit een van de belangrijkste materiaal ontdekkingen van die periode, maar veroorzaakte tevens het grootste schandaal in de wereld van lithium batterijen.
Want enkele jaren na de publikatie van Goodenough's bevindingen startte MIT professor Yet–Ming Chiang een research groep op die onderzoek deed naar 'zelf helende' batterijen, waarin anode en kathode materialen zichzelf zouden herstellen, onder andere om de levensduur van een accu te verlengen. Tijdens dat onderzoek werd een groep mineralen bestudeerd, waaronder ook lithium-ijzer-fosfaat. Aan de preparaten werden kleine hoeveelheden onzuiverheden toegevoegd, doping, vergelijkbaar met de fabrikage van halgeleidermaterialen. Zo merkten zij dat door die toevoegingen de geleidbaarheid enorm toenam.
In oktober 2002 publiceerde Chiang's groep een artikel waarin zij 'hun' uitvinding, gedoteerd lithium ijzer forsfaat, als het materiaal voor toekomstige lithium batterijen voor electrische traktie, presenteerden.
De goede electronische eigenschappen schreven zij geheel toe aan de dotering. Het laatste werd met veel skeptisme ontvangen door de 'lithium gemeenschap'.

Armand zag hij meteen dat Chiang's wetenschappelijke verklaring er volledig naast zat en dat Chiang onbewust de experiment van Armand van enkele jaren geleden had herhaald.
Voor hem was het duidelijk dat Chiang's succes te danken was aan koolstof vervuiling van de vaten waarin het poeder was bereid en niet door het bijmengen van uiterst geringe hoeveelheden van andere elementen.
Hierop ontstond een uitgebreide wetenschappelijke pennestrijd, waarbij Chang werd beticht van onjuiste interpretatie van zijn onderzoeks resultaten.

Naast de pennestrijd ontwikkelde zich een heuse juridische oorlog tussen Hydo-Quebec en de door Chiang en anderen opgerichtte firma A123.
A123 was in het geheim reeds verplichtingen aan gegaan tot levering van 36 volts 'nano fosfaat' batterijen aan onder andere Black en Decker en China's BAK battery en had zich voorzien van invloedrijke geldschieters als Qualcomm, Motorola, en Sequoia Capital. A124 startte een grote promotie campagne en tevens het jurisch gevecht.
Daarop ging ook de Universiteit van Texas zich voor Hydro in de strijd mengen. Hydo-Quebec echter had de exlusieve rechten op de patenten en de levering van het basis materiaal en klaagde daarop alle afnemers van A123 aan wegens schending van zijn patentrechten.

Hoe dit afgelopen is blijft in nevelen gehuld.
Armand is gedesillusioneerd, de wetenschappelijk questie is nog niet opgelost. Zelfs op internet circuleren beide versies van de ontdekking.

In de industriele wereld speelt de macht van het kapitaal een overwegende rol. Naast de reeds eerder genoemde firma's bezitten nu ook Phostech en Aleees en vele anderen patenten op het materiaal. Het japanse NTT betaalde 30 millioen dollar aan de Univ van Texas voor de rechten.
Het Europees Patentburo heeft in 2008 het patent van Goodenough erkent en daarmee is ook de weg vrijgemaakt voor toepassing van deze batterijen in electrische auto's in Europa.

Hoewel de capaciteit van een lithium-ijzer-fosfaat batterij 25 % geringer is dan die met het zeldzame kobalt oxide, is de kostprijs aanzienlijk lager. Grote voordelen van LiFePo4 zijn de lange levensduur en de milieuvriendelijkheid.
(PA0PHB)

(Pieter J.T.Bruinsma, PA0PHB) 

Referenties, informatie:

Gizmodo.com => Uittreksel van: Bottled Lightning: Superbatteries, Electric Cars, and the New Lithium Economy by Seth Fletcher
Wiki => Lithium iron phosphate battery

Het mineraal Triphylite, met de chemische samenstelling lithium- ijzer-fosfaat
Het mineraal Triphylite, met de chemische samenstelling lithium- ijzer-fosfaat

De lithium ijzer fosfaat nanokorreltjes
De lithium ijzer fosfaat nanokorreltjes


lll