Klimaat & energie › Solid-state batterijen & energieopslag
Onderzoekers ontdekken 'lawine-effect' in batterij-elektrodes tijdens het laden
Lithium-ionen bewegen zich niet gestaag door de grafiet-elektrode van een batterij, maar in plotselinge lawines die binnen enkele seconden hele microscopisch kleine gebieden omvormen. Dat ontdekten onderzoekers door voor het eerst live mee te kijken met een speciale microscoop tijdens het opladen. De bevinding, gepubliceerd in Nature, kan helpen om batterijen in de toekomst sneller en veiliger op te laden.
Grafiet is het meest gebruikte materiaal voor de negatieve elektrode (de anode) in lithium-ionbatterijen, van smartphones tot elektrische auto's. Toch weten wetenschappers eigenlijk nog niet precies wat er op microscopisch niveau gebeurt als lithium-ionen dat grafiet binnendringen. Vooral het begin van het laadproces, wanneer er nog weinig lithium aanwezig is, bleef tot nu toe een raadsel.
Meekijken met een speciale microscoop
Om dat proces te doorgronden, bouwden de onderzoekers een doorzichtige batterijcel die ze onder een optische microscoop konden leggen. Zo konden ze in real time zien hoe lithium-ionen een enkel grafietdeeltje in en uit gingen, terwijl de cel gewoon werd op- en ontladen. De testcel haalde een capaciteit van 362 milliampüurper gram, dicht bij de theoretisch maximale 252 tot 372 mAh per gram die grafiet kan opslaan.
Wat de onderzoekers zagen, verraste hen. In plaats van een geleidelijke, gelijkmatige opname van lithium, sprong het materiaal telkens plotseling van de ene naar de andere toestand. Binnen enkele seconden veranderden gebieden van een paar micrometer groot compleet van samenstelling, om vervolgens weer even snel terug te springen. Dit gedrag noemen de onderzoekers 'avalanches', ofwel lawines: korte, felle uitbarstingen van verandering, gevolgd door een periode van rust.
Hetzelfde patroon als bij aardbevingen en magneten
Dat soort lawine-gedrag is niet uniek voor batterijen. Vergelijkbare sprongsgewijze patronen zien natuurkundigen ook bij bijvoorbeeld het ontstaan van scheuren in metaal, het omklappen van magnetische domeinen, en zelfs bij aardbevingen. Steeds gaat het om een systeem dat vast blijft zitten in een tussentoestand, tot de spanning te groot wordt en het in één keer omslaat naar de volgende toestand.
Om dit gedrag te verklaren, bouwden de onderzoekers een wiskundig model dat rekening houdt met kleine, willekeurige onvolkomenheden in de kristalstructuur van grafiet. Dat model kon de waargenomen lawines nabootsen en verklaarde ook waarom eerdere metingen soms een geleidelijke overgang lieten zien en soms een abrupte: het hangt af van hoe die onvolkomenheden in het materiaal verdeeld zijn.
Belang voor sneller opladen
Deze inzichten zijn meer dan een wetenschappelijke nieuwsgierigheid. Juist de fase met weinig lithium, die nu voor het eerst goed in kaart is gebracht, speelt een sleutelrol bij snelladen van batterijen. Als fabrikanten beter begrijpen waarom en waar deze lawines optreden, kunnen ze grafiet-elektrodes mogelijk zo ontwerpen dat lithium gelijkmatiger wordt opgenomen. Dat zou het risico op lokale oververhitting of de vorming van schadelijke lithium-afzettingen kunnen verkleinen, twee bekende knelpunten bij het razendsnel opladen van batterijen in bijvoorbeeld elektrische auto's.
Achtergrond & begrippen
Wat betekent dit voor de toekomst? Beter inzicht in hoe lithium-ionen zich door batterij-elektrodes bewegen, kan uiteindelijk leiden tot batterijen die sneller, veiliger en met minder slijtage kunnen worden opgeladen. Dat is direct relevant voor elektrische auto's en consumentenelektronica, waar snelladen steeds belangrijker wordt. Het onderzoek levert bovendien nieuwe meetmethoden op die ook bij andere batterijmaterialen kunnen worden ingezet.
- Intercalatie
- Het proces waarbij ionen, zoals lithium, zich tussen de lagen van een gelaagd materiaal zoals grafiet nestelen. Dit is precies wat er gebeurt als een lithium-ionbatterij wordt opgeladen.
- Grafiet
- Een vorm van koolstof opgebouwd uit dunne, op elkaar gestapelde lagen, veelgebruikt als negatieve elektrode (anode) in lithium-ionbatterijen.
- Lawine-effect (avalanche)
- Een plotselinge, sprongsgewijze verandering in een materiaal, waarbij het in korte tijd van de ene naar de andere toestand springt in plaats van geleidelijk te veranderen.
- Operando microscopie
- Een meettechniek waarbij een materiaal onder de microscoop wordt bekeken terwijl het daadwerkelijk in bedrijf is, in dit geval tijdens het op- en ontladen van een batterij.
- Ising-model
- Een wiskundig model uit de natuurkunde, oorspronkelijk ontwikkeld voor magnetisme, dat hier is aangepast om te verklaren hoe lithium-ionen zich verspreiden in een grafietkristal met kleine onvolkomenheden.
- Capaciteit (mAh per gram)
- De hoeveelheid elektrische lading die een batterijmateriaal per gram gewicht kan opslaan; een maat voor hoeveel energie een batterij kan bevatten.
Bronnen
Dit artikel is met behulp van AI geschreven op basis van bovenstaande bronnen en is geen letterlijke vertaling. Zo werkt onze redactie.
