Langdurig bruikbare en snel oplaadbare accu’s zijn essentieel voor de groei van de markt voor elektrische voertuigen en apparaten. De huidige lithium-ion accu’s voldoen niet aan de eisen. Ze zijn te zwaar, te duur en het duurt te lang om ze op te laden.
Al tientallen jaren proberen onderzoekers het potentieel te benutten van solid-state lithium-metaal batterijen. Die kunnen aanzienlijk meer energie bevatten in hetzelfde volume en ze kunnen in een fractie van de tijd worden opgeladen in vergelijking met traditionele lithium-ion batterijen.
‘Een lithium-metaal batterij wordt beschouwd als de heilige graal voor de batterijfabrikanten vanwege de hoge capaciteit en energiedichtheid,’ zegt Xin Li, universitair hoofddocent materiaalwetenschappen aan de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Science (SEAS). ‘Maar de stabiliteit van deze batterijen is altijd slecht geweest.’
Nico Rosberg crasht zijn Energica in Monaco
Li en zijn team hebben nu een stabiele lithium-metaal batterij in vaste vorm ontworpen die minstens 10.000 keer kan opladen en ontladen. Dan zijn veel meer cycli dan tot nu toe mogelijk is en de stroomdichtheid lijdt er niet onder. De onderzoekers koppelden het nieuwe ontwerp aan een commercieel kathodemateriaal met hoge energiedensiteit.
Deze batterijtechnologie zou de levensduur van elektrische voertuigen kunnen optrekken tot die van benzinemotorfietsen – auto’s – 10 tot 15 jaar – zonder dat de batterij hoeft te worden vervangen. Met zijn hoge stroomdichtheid zou de batterij de weg kunnen vrijmaken voor elektrische voertuigen die binnen 10 tot 20 minuten volledig kunnen worden opgeladen.
‘Ons onderzoek toont aan dat de solid-state batterij fundamenteel zou kunnen verschillen van de commerciële lithium-ion batterij met vloeibare elektrolyten,’ zei Li. ‘Door hun fundamentele thermodynamica te bestuderen, kunnen we superieure prestaties ontsluiten en hun overvloedige mogelijkheden benutten.’
De grote uitdaging bij lithium-metal batterijen is altijd de chemie geweest. Lithiumbatterijen verplaatsen tijdens het opladen lithiumionen van de kathode naar de anode. Wanneer de anode is gemaakt van lithiummetal, vormen zich op het oppervlak naaldachtige structuren, dendrieten genaamd. Deze structuren groeien als wortels in de elektrolyt en doorboren de barrière tussen de anode en de kathode, waardoor de batterij kortsluiting kan maken of zelfs in brand kan vliegen.
Om dit probleem op te lossen, ontwierpen Li en zijn team een meerlaagse batterij die verschillende materialen met verschillende stabiliteit tussen de anode en de kathode plaatst. Deze batterij met meerdere lagen en materialen voorkomt het binnendringen van lithiumdendrieten, niet door ze helemaal tegen te houden, maar eerder door ze te controleren en in bedwang te houden.
Zie de batterij als een BLT-sandwich. Eerst komt het brood – de lithiummetal anode – gevolgd door sla – een laagje grafiet. Dan komt een laag tomaten – de eerste elektrolyt – en een laag bacon – de tweede elektrolyt. En het eindig met nog een laag tomaten en het laatste stuk brood – de kathode.
De eerste elektrolyt (chemische naam LPSCI) is stabieler met lithium maar vatbaar voor dendrietpenetratie. De tweede elektrolyt, (LGPS) is minder stabiel met lithium maar lijkt immuun voor dendrieten. In dit ontwerp kunnen dendrieten door het grafiet en de eerste elektrolyt heen groeien, maar ze worden tegengehouden wanneer ze de tweede elektrolyt bereiken. Met andere woorden, de dendrieten groeien door de sla en de tomaat maar stoppen bij de bacon. De spekbarrière voorkomt dat de dendrieten er doorheen groeien en kortsluiting in de batterij veroorzaken.
‘Onze strategie om instabiliteit in te bouwen om de batterij te stabiliseren voelt contra-intuïtief aan, maar net zoals een anker een schroef die in een muur gaat kan leiden en controleren, zo kan ook ons meerlagig ontwerp de groei van dendrieten leiden en controleren,’ zegt Luhan Ye, co-auteur en promoverend student aan SEAS. ‘Het verschil is dat ons anker snel te krap wordt voor de dendriet om er doorheen te boren, zodat de dendrietgroei wordt gestopt,’ voegde Li eraan toe.
Analyse V-twin: een uitstervend ras
De batterij is ook zelfhelend; door zijn chemie kan hij gaten opvullen die door de dendrieten worden gemaakt.
‘Dit proof-of-concept ontwerp laat zien dat lithium-metal solid-state batterijen kunnen concurreren met commerciële lithium-ion batterijen,’ zegt Li. ‘En de flexibiliteit en veelzijdigheid van ons meerlaagse ontwerp maakt het potentieel compatibel met massaproductieprocedures in de batterij-industrie. Het opschalen naar de commerciële batterij zal niet eenvoudig zijn en er zijn nog enkele praktische uitdagingen, maar we geloven dat die overwonnen zullen worden.’