Klimaat & energie › Solid-state batterijen & energieopslag
TU Graz ontdekt hoe zuurstofgaatjes lithium-ionen sneller laten bewegen
Oostenrijkse onderzoekers hebben een gangbaar batterijmateriaal, lithiumtitanaat, veel beter geschikt gemaakt voor snel lithiumtransport door er expres piepkleine gaatjes in te maken. Door het materiaal te verhitten in een zuurstofarme omgeving ontstaan zogeheten zuurstofvacatures die een sluiproute voor lithium-ionen openen. De ontdekking, gepubliceerd in Science Advances, kan behalve voor batterijen ook interessant zijn voor nieuwe soorten chips.
Een gaatje in het kristalrooster
Lithiumtitanaat, met de scheikundige formule Li4Ti5O12 en vaak afgekort tot LTO, is al jaren een bekend materiaal voor batterij-elektrodes. Het is stabiel en veilig, maar heeft een groot nadeel: in zuivere vorm laat het lithium-ionen maar traag door zich heen bewegen. Pas tijdens het opladen, wanneer extra lithium-ionen en elektronen het materiaal binnendringen, wordt LTO een goede geleider. Onderzoekers Bernhard Gadermaier en Martin Wilkening van de TU Graz (Oostenrijk) laten nu zien dat dat anders kan. Door gericht atomen uit het kristalrooster te verwijderen, maakten ze onbehandeld LTO zelf al een snelle ionengeleider, zonder dat er extra lithium bij hoeft.
De truc zit in wat scheikundigen een zuurstofvacature noemen: een plek in het kristal waar normaal een zuurstofatoom zit, maar die nu leeg is. Het team verhitte LTO tot 300 graden Celsius in een omgeving met weinig zuurstof. Daardoor verdwenen er voorzichtig individuele zuurstofatomen uit het rooster. Die lege plekken bleken een sluiproute te openen waarlangs lithium-ionen veel gemakkelijker konden bewegen. "Deze diffusieroute zit al ingebakken in de structuur van LTO, maar wordt pas geactiveerd door de defecten," legt Wilkening uit.
Meten met kernspinresonantie
Om te bewijzen dat het lithiumtransport echt sneller ging, combineerden de onderzoekers twee meettechnieken: geleidbaarheidsspectroscopie en NMR-spectroscopie, een methode die ook de basis vormt van MRI-scanners in ziekenhuizen. Vooral de NMR-metingen leverden direct bewijs voor het nieuwe, op atomair niveau geactiveerde transportpad. De resultaten zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Science Advances.
Volgens Wilkening laat het onderzoek zien dat de eigenschappen van een vaste stof niet alleen worden bepaald door de chemische samenstelling, maar ook door de lokale defectstructuur en de manier waarop een materiaal is verhit. Met andere woorden: twee brokjes LTO met exact dezelfde chemische formule kunnen zich compleet anders gedragen, afhankelijk van hun productiegeschiedenis. Door bewust gaatjes in het kristal te maken, kregen de onderzoekers grip op hoe snel lithium-ionen zich door het materiaal verplaatsen.
Toepassing voorbij de batterij
Het onderzoek startte zonder concrete toepassing in gedachten, puur uit wetenschappelijke nieuwsgierigheid naar het gedrag van ionentransport in vaste stoffen. Toch ziet Wilkening kansen die verder reiken dan batterijen alleen. De precieze controle over ionengeleiding via defectchemie opent volgens hem perspectief voor iontronica en memristieve schakelingen: elektronische componenten die, net als hersencellen, informatie kunnen onthouden via de manier waarop stroom er doorheen vloeit. Dat soort componenten wordt gezien als een belangrijk bouwblok voor toekomstige neuromorfe chips, die energiezuiniger moeten rekenen dan huidige processoren. De structuur van het materiaal, met zijn kubische kristalopbouw, blijft daarbij intact; alleen het interne verkeer van ionen verandert drastisch. Voor batterijfabrikanten is vooral interessant dat een goedkoop en veilig materiaal als LTO mogelijk sneller opgeladen en ontladen kan worden zonder dat de basisscheikunde verandert, wat de weg kan openen voor snellere en duurzamere energieopslag.
Achtergrond & begrippen
Wat betekent dit voor de toekomst? Deze ontdekking laat zien dat bestaande, goedkope en veilige batterijmaterialen zoals lithiumtitanaat sneller gemaakt kunnen worden zonder hun chemische samenstelling te veranderen, puur door bewust defecten aan te brengen. Dat kan leiden tot batterijen die sneller opladen en ontladen, en opent bovendien een weg naar nieuwe elektronica die informatie onthoudt zoals hersencellen dat doen.
- Lithiumtitanaat (LTO)
- Een stabiel en veilig batterijmateriaal met de formule Li4Ti5O12, dat van nature maar traag lithium-ionen doorlaat.
- Zuurstofvacature
- Een lege plek in een kristalrooster waar normaal een zuurstofatoom zit; deze 'gaatjes' kunnen de beweging van andere deeltjes beïnvloeden.
- Kristalrooster
- De regelmatige, herhalende rangschikking van atomen waaruit een vast materiaal is opgebouwd.
- NMR-spectroscopie
- Een meettechniek die met magneten en radiogolven het gedrag van atomen in een materiaal in kaart brengt; dezelfde techniek als achter MRI-scanners.
- Ionentransport
- De beweging van geladen deeltjes (ionen) door een materiaal, cruciaal voor het functioneren van batterijen.
- Defectchemie
- Het vakgebied dat bestudeert hoe onvolkomenheden in een kristalstructuur de eigenschappen van een materiaal beïnvloeden.
- Ionengeleider
- Een materiaal waardoorheen ionen zich relatief gemakkelijk kunnen verplaatsen.
- Iontronica
- Een tak van de elektronica die, in plaats van elektronen, de beweging van ionen gebruikt om signalen te verwerken.
- Memristieve schakeling
- Een elektronisch component dat zijn elektrische weerstand aanpast op basis van eerdere stroom, en zo een soort geheugen vormt.
- Neuromorfe chip
- Een computerchip die qua werking is geïnspireerd op de hersenen, bedoeld om energiezuiniger te rekenen dan klassieke processoren.
Bronnen
Dit artikel is met behulp van AI geschreven op basis van bovenstaande bronnen en is geen letterlijke vertaling. Zo werkt onze redactie.
