Mosselinspiratie levert lithiumbatterij op die duizend laadbeurten overleeft

Lithium-metaalbatterijen gelden al jaren als veelbelovende opvolger van de gangbare lithium-ionbatterij. Ze kunnen aanzienlijk meer energie opslaan per kilo, wat elektrische auto's een grotere actieradius zou geven. Het probleem: tijdens het laden vormen zich vaak naaldvormige lithiumkristallen, dendrieten genoemd, die de batterij van binnenuit kunnen doorboren en kortsluiting veroorzaken. Dat risico heeft grootschalige toepassing tot nu toe in de weg gestaan.

Een onderzoeksteam van de Chonnam National University in Zuid-Korea, onder leiding van professor Mincheol Chang, denkt een oplossing te hebben gevonden. De groep ontwikkelde een vaste elektrolyt die is opgebouwd uit drie lagen en die zijn inspiratie haalt uit een onverwachte hoek: de eiwitten waarmee mosselen zich vastplakken aan rotsen langs de kust.

Drie lagen, één sterk geheel

De buitenste twee lagen van het materiaal bestaan uit een zachte mix van polyethyleenoxide en een lithiumzout. Die lagen zorgen voor goed contact met de elektroden en laten lithiumionen makkelijk door. De kern is steviger en bevat keramische deeltjes die zijn gecoat met polydopamine, een stof die is nagemaakt naar het kleefeiwit van mosselen. Die gecoate deeltjes zijn vermengd met een flexibele copolymeer, wat de laag tegelijk sterk en buigzaam maakt.

Door deze combinatie ontstaan er in het materiaal fijnmazige paadjes waarlangs lithiumionen efficiënt kunnen bewegen. De onderzoekers maten een ionische geleidbaarheid die ongeveer vier keer hoger ligt dan bij een gewone polyethyleenoxide-elektrolyt. Ook het zogeheten lithiumtransportgetal, een maat voor hoeveel van de stroom daadwerkelijk door lithiumionen wordt gedragen, kwam met een waarde van 0,81 opvallend hoog uit. De stevigere kernlaag helpt bovendien om te voorkomen dat dendrieten dwars door de elektrolyt groeien.

Duizend cycli en een geknipte batterij

In labtests met complete batterijcellen leverde de best presterende variant, met 30 gewichtsprocent gecoate keramische deeltjes, een capaciteit van 133,6 milliamp-uur per gram. Na duizend volledige laad- en ontlaadcycli had de cel nog altijd meer dan 80 procent van die capaciteit over, een teken van een lange levensduur. De onderzoekers testten ook de fysieke stevigheid van het materiaal. Een flexibele pouchcel bleef een ledlampje van stroom voorzien, zelfs nadat hij was gevouwen en deels doorgeknipt.

Volgens Chang kan de technologie op termijn bijdragen aan elektrische auto's met een langere actieradius, veiligere batterijen, flexibele draagbare elektronica en grootschalige energieopslag voor het stroomnet. De studie verscheen op 3 augustus in het wetenschappelijke tijdschrift Advanced Materials.