Zuid-Koreaanse batterij houdt na 883 laadcycli nog 92 procent capaciteit

Lithium-mangaanrijke batterijen, kortweg LMR-batterijen, gelden al jaren als veelbelovend alternatief voor de huidige generatie kathodechemie in elektrische auto's. Ze gebruiken vooral mangaan en kunnen zonder kobalt, wat de grondstofkosten drukt. Toch bleven grootschalige toepassingen uit, omdat de batterijen tijdens gebruik gas vormen. In een grote accucel is nauwelijks ruimte om die opbouwende druk op te vangen, waardoor de interne structuur beschadigt en de prestaties snel achteruitgaan.

Het team van professor Jongwoo Lim aan de Seoul National University ontdekte samen met het Zuid-Koreaanse batterijbedrijf LG Energy Solution dat de oorzaak dieper ligt dan gedacht. In LMR-cellen wordt energie niet alleen opgeslagen via metalen zoals nikkel en mangaan, maar ook via reacties met zuurstof in de kathode. Als die zuurstof na het laden niet volledig terugkeert naar zijn oorspronkelijke staat, ontstaan bijreacties die gas produceren. De onderzoekers noemen dit herstelvermogen zuurstofreversibiliteit, en het bleek sterk afhankelijk van de gebruikte celspanning.

Spanning bepaalt hoeveel gas ontstaat

Uit de experimenten bleek dat zowel de bovengrens tijdens het laden als de ondergrens tijdens het ontladen invloed hebben op het herstel van de zuurstof. Door de maximale laadspanning te verlagen van 4,6 naar 4,3 volt, steeg het aandeel hersteld zuurstof van 86 naar 97 procent. Ook een lagere ontlaadgrens, van 3,0 naar 2,0 volt, hielp de zuurstof bijna volledig terug te brengen naar de oorspronkelijke toestand. Met die kennis pasten de onderzoekers het spanningsbereik en het zogeheten vormingsproces van de batterijcellen aan, de fase waarin een nieuwe cel voor het eerst wordt opgeladen. Ze gebruikten daarbij ook een lagere temperatuur, wat de gasvorming verder onderdrukte.

Van laboratorium naar grote cellen

Het resultaat is opvallend omdat het niet alleen werkte in kleine testcellen, maar ook in cellen van industrieel formaat. De 40 Ah-cellen behielden na 883 volledige laad- en ontlaadcycli nog 92,2 procent van hun oorspronkelijke energie, een niveau van cyclusleven dat vergelijkbaar is met batterijen die al wel in auto's worden gebruikt. Volgens Lim laat het onderzoek zien dat de stabiliteit van LMR-batterijen te verbeteren is puur door slimmer om te gaan met de elektrochemische randvoorwaarden, zonder het materiaal zelf te veranderen. Een woordvoerder van LG Energy Solution noemt de gasvorming een van de grootste obstakels voor de doorbraak van LMR-technologie en spreekt van een belangrijke stap richting een nieuwe generatie batterijen die minder batterijdegradatie vertonen. De studie is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications.