Klimaat & energie › Solid-state batterijen & energieopslag
Zilveradditief tilt energiedichtheid lithiumbatterij naar 467 Wh/kg
Onderzoekers van de Hong Kong University of Science and Technology hebben een lithiummetaalbatterij ontwikkeld die veel energie opslaat per kilo gewicht. Door een klein beetje zilver aan het ontwerp toe te voegen, haalde de batterij een energiedichtheid van 467 wattuur per kilogram en behield hij na tweehonderd laadcycli nog negentig procent van zijn capaciteit. Dat is een stap richting lichtere en duurzamere batterijen voor onder meer elektrische auto's en apparaten.
Het team, onder leiding van professor Shao Minhua, werkte aan een zogeheten anodevrije lithiummetaalbatterij. Bij dit type batterij ontbreekt een apart anodemateriaal: in plaats daarvan wordt een kaal koperen plaatje gebruikt waarop lithium zich tijdens het opladen afzet. Dat scheelt gewicht en materiaal, waardoor de batterij in theorie meer energie per kilo kan opslaan dan gangbare batterijen. In de praktijk bleek dit ontwerp tot nu toe lastig, omdat lithium zich op koper ongelijk verdeelt.
Waarom anodevrije batterijen lastig zijn
Dat ongelijke neerslaan van lithium leidt tot de vorming van dendrieten: naaldvormige uitsteeksels die inwendig schade kunnen veroorzaken en zelfs kortsluiting of brand kunnen uitlokken. Daarnaast ontstaat op het elektrode-oppervlak vanzelf een dun beschermend laagje, de zogeheten solid electrolyte interphase. Wordt die laag instabiel, dan belemmert dat de beweging van lithium-ionen en slijt de batterij sneller. Deze twee problemen samen zorgen ervoor dat anodevrije batterijen tot dusver minder lang meegaan dan commerciële varianten, ondanks hun gewichtsvoordeel.Zilver verandert het oppervlak van binnenuit
De Hongkongse onderzoekers losten dit op met een additief dat zilverionen en negatief geladen deeltjes bevat. Dit additief gaat na het samenstellen van de batterij in verschillende stappen aan het werk. Eerst past het het koperen oppervlak aan, zodat lithium er makkelijker en gelijkmatiger op kan neerslaan. Vervolgens helpt het een stabieler beschermlaagje op te bouwen, bestaande uit een organische binnenlaag en een anorganische buitenlaag. Die combinatie laat lithium-ionen wel goed doorstromen, maar remt tegelijk de groei van dendrieten.Gelachtige laag houdt batterij langer gezond
De vrijgekomen deeltjes uit het additief zetten ook een reactie in gang in de elektrolyt, waardoor een gelachtige, quasi-vaste laag ontstaat tussen de elektrode en de elektrolyt. Deze laag houdt beide onderdelen stevig tegen elkaar aan, ook na talloze laad- en ontlaadcycli. Daardoor kan de batterij keer op keer lithium afzetten en weer oplossen zonder noemenswaardig capaciteitsverlies. In een pouch cell, een plat verpakte testbatterij, haalde het ontwerp een energiedichtheid van 467 wattuur per kilogram. Een rondere testversie, de coin cell, behield na tweehonderd cycli nog negentig procent van zijn oorspronkelijke capaciteit. Volgens Shao schuilt de kracht van de methode in het feit dat één additief meerdere functies combineert, in plaats van losse chemische trucs te stapelen. Het onderzoek is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications.Achtergrond & begrippen
Wat betekent dit voor de toekomst? Een hogere energiedichtheid in combinatie met een langere levensduur kan elektrische auto's, drones en consumentenelektronica lichter en krachtiger maken zonder dat de batterij sneller verslijt. Als deze zilvertechniek ook buiten het lab standhoudt, kan ze de weg vrijmaken voor anodevrije batterijen die net zo betrouwbaar zijn als huidige lithium-ionbatterijen, maar wel compacter en lichter.
- Anodevrije batterij
- Een batterijontwerp zonder apart anodemateriaal, waarbij lithium zich tijdens het opladen rechtstreeks op een koperen plaatje afzet. Dit bespaart gewicht en materiaal.
- Energiedichtheid (Wh/kg)
- De hoeveelheid energie die een batterij kan opslaan per kilogram gewicht. Een hogere waarde betekent meer vermogen bij hetzelfde gewicht.
- Lithiummetaalbatterij
- Een batterij die puur lithiummetaal gebruikt in plaats van lithium ingebed in grafiet, wat meer energieopslag mogelijk maakt maar ook risicovoller is.
- Dendrieten
- Naaldvormige structuren van lithium die tijdens ongelijkmatig opladen kunnen ontstaan en interne schade of kortsluiting kunnen veroorzaken.
- Solid electrolyte interphase (SEI)
- Een dun beschermend laagje dat vanzelf ontstaat op het elektrode-oppervlak en de beweging van lithium-ionen regelt. Een instabiele SEI verkort de levensduur van een batterij.
- Lithiofiliciteit
- De mate waarin een oppervlak lithium aantrekt en gelijkmatig laat neerslaan. Hoe hoger de lithiofiliciteit, hoe kleiner de kans op dendrieten.
- Quasi-solide gel
- Een halfvaste, gelachtige laag die ontstaat tussen elektrode en elektrolyt en beide onderdelen stevig met elkaar in contact houdt.
- Laadcyclus
- Eén volledige ronde van opladen en ontladen van een batterij. Het aantal cycli dat een batterij doorstaat, is een maat voor zijn levensduur.
- Pouch cell en coin cell
- Twee veelgebruikte testformaten voor batterijen in laboratoriumonderzoek: de pouch cell is plat verpakt, de coin cell heeft de vorm van een muntje.
- AMI-additief
- De door de onderzoekers ontwikkelde toevoeging met zilverionen die na assemblage van de batterij meerdere chemische processen tegelijk op gang brengt.
Bronnen
Dit artikel is met behulp van AI geschreven op basis van bovenstaande bronnen en is geen letterlijke vertaling. Zo werkt onze redactie.
