Goedkoop zout geeft siliciumbatterijen tien procent meer energie

Silicium wil veel lithium, maar levert het niet terug

Batterijfabrikanten zoeken al jaren naar manieren om meer energie in dezelfde ruimte te proppen. Een populaire route is het toevoegen van silicium aan de anode, de negatieve elektrode van een batterij. Silicium kan veel meer lithium opnemen dan het gebruikelijke grafiet, wat in theorie tot een hogere energiedichtheid leidt: meer capaciteit bij hetzelfde gewicht en volume.

Het probleem is dat silicium tijdens de allereerste oplaadbeurt een flinke hap lithium opslokt die daarna niet meer vrijkomt. Dat heet irreversibel capaciteitsverlies, en het zorgt ervoor dat een deel van de potentiële winst van silicium meteen weer verdwijnt. Hoe meer silicium in de anode zit, hoe groter dat verlies.

Een goedkoop zout als reservevoorraad

Asahi Kasei pakt dit verlies aan met lithiumcarbonaat, een grondstof die al op grote schaal in de batterij-industrie wordt gebruikt en relatief goedkoop is. Normaal gesproken is lithiumcarbonaat in een batterij een dode last: het stofje breekt pas af bij een spanning die veel hoger ligt dan waarop een gewone lithium-ionbatterij werkt, waardoor het nooit zijn lithium afgeeft.

Het Japanse bedrijf heeft speciale toevoegingen aan de elektrolyt, de geleidende vloeistof in de batterij, ontwikkeld die de omstandigheden voor die afbraak verlagen. Daardoor kan het lithiumcarbonaat, verwerkt in de kathode, tijdens de eerste oplaadcyclus alsnog ontleden en zijn lithium vrijgeven. Die extra lithium compenseert precies het verlies dat de siliciumanode veroorzaakt, zodat er meer bruikbare capaciteit overblijft voor volgende laad- en ontlaadcycli. In de vaktaal heet dit soort compensatie lithium-voordotering.

Bij interne tests met een anode van negentig procent grafiet en tien procent siliciummonoxide leverde de methode een energiedichtheid op die tien procent hoger lag dan zonder de lithiumcarbonaat-truc. Asahi Kasei zegt bovendien dat de levensduur van de batterij verbetert, terwijl de kosten per opgeslagen wattuur laag blijven.

Passen in bestaande fabrieken

Een belangrijk verkoopargument is dat de methode zonder grote aanpassingen in bestaande productielijnen past. Batterijfabrikanten hoeven dus geen nieuwe fabrieken te bouwen om de technologie te testen. Asahi Kasei zegt dat de aanpak werkt met uiteenlopende combinaties van kathode- en anodematerialen, wat fabrikanten flexibiliteit geeft naarmate celchemieën blijven veranderen.

Het bedrijf wil nu met klanten in de batterij-industrie proefprojecten starten en de technologie vervolgens via licenties beschikbaar stellen, met verschillende samenwerkingsvormen afhankelijk van hoe ver een klant al is in de ontwikkeling. Of de gerapporteerde winst in energiedichtheid ook op grote schaal standhoudt, moet nog blijken. Als dat lukt, biedt de vondst batterijmakers een manier om meer prestatie uit hun cellen te halen zonder het hele ontwerp op de schop te nemen.