Zuid-Koreaanse batterij van 2,77 micrometer dik beperkt lithiumverlies

Een team onder leiding van professor Hyun-Suk Kim, verbonden aan de afdeling Energy and Materials Engineering van de Dongguk University, presenteerde op 3 november een nieuwe laagopbouw voor ultradunne batterijen. De vinding richt zich op een bekend probleem bij compacte solid-state batterijen: het ongelijkmatig afzetten van lithium, waardoor cellen sneller capaciteit verliezen.

Waarom lithium 'verdwijnt' in dunne batterijen

De batterij die de Koreaanse onderzoekers bouwden, heeft geen klassieke anode. In plaats daarvan vormt lithium uit de kathode tijdens het eerste keer opladen zelf een laagje op een metalen contactplaat, de zogeheten current collector. Dat scheelt productiestappen en levert compactere batterijen op. Het nadeel is dat lithium bij dit proces ongelijkmatig kan neerslaan. Delen van het metaal raken geïsoleerd of verliezen het contact met het vaste elektrolyt. Dat lithium is dan niet meer bruikbaar voor volgende laad- en ontlaadcycli, wat de batterij sneller laat verslijten. Onderzoekers noemen dit 'dood' lithium.

Een laag tin en koolstof als geleider

Om dat te voorkomen testte het team verschillende coatings op de contactplaat: alleen koolstof, alleen metaal, en combinaties van beide. Een dubbele laag van tin en koolstof op een koperen contactplaat bleek het beste te werken. Tin verlaagt de energiedrempel waarbij lithiumkristallen beginnen te groeien, zodat het metaal gelijkmatiger aanslaat. De koolstoflaag erboven houdt die groei vervolgens onder controle en voorkomt dat het lithium scheef of klonterig neerslaat. Volgens Kim werkt de tussenlaag als een soort kiembed voor lithium, wat de herbruikbaarheid van het materiaal bij herhaald laden en ontladen verbetert. Daarnaast brachten de onderzoekers vooraf een dun laagje zuiver lithium aan op de gecoate contactplaat. Die extra voorraad, een techniek die prelithiëring heet, compenseert het lithium dat tijdens de eerste laadcycli toch verloren gaat.

Resultaat: hoge energiedichtheid in een flinterdunne cel

De uiteindelijke testbatterij bestond uit een kathode van lithium-vanadiumoxide, een vast elektrolyt van lithium-fosfor-oxynitride en de gecoate koperen contactplaat. Het geheel was maar 2,77 micrometer dik, dunner dan een haar. Toch haalde de cel na honderd laad- en ontlaadcycli een volumetrische energiedichtheid van 235,13 wattuur per liter, gemeten bij een lage laadsnelheid. Volgens Kim laat het onderzoek zien dat slim ontworpen contactlagen en een beheerde lithiumvoorraad de levensduur van anode-loze dunnefilmbatterijen kunnen verlengen. Hij ziet toepassingen voor draagbare elektronica, kleine sensoren in het internet der dingen en medische apparaten, en op termijn mogelijk ook voor grotere, industriële solid-state batterijen. De studie is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Advanced Energy Materials.