Bouw krachtiger batterijen mogelijk met nieuw elektrode-ontwerp

Nieuw onderzoek zou kunnen leiden tot batterijen die meer vermogen per pond kunnen leveren en langer meegaan, gebaseerd op het langgezochte doel om zuiver lithiummetaal te gebruiken als een van de twee elektroden van de batterij, de anode.

Het nieuwe elektrodeconcept komt uit het laboratorium van Ju Li, de Battelle Energy Alliance professor in nucleaire wetenschappen en engineering en professor in materiaalwetenschappen en engineering. Het wordt beschreven in het tijdschrift Nature, in een artikel dat mede is geschreven door Yuming Chen en Ziqiang Wang aan het MIT, samen met 11 anderen aan het MIT en in Hong Kong, Florida en Texas.

Het ontwerp maakt deel uit van een concept voor de ontwikkeling van veilige all-solid-state batterijen, waarbij wordt afgezien van de vloeistof of polymeergel die gewoonlijk wordt gebruikt als het elektrolytmateriaal tussen de twee elektroden van de batterij. Een elektrolyt zorgt ervoor dat lithium-ionen heen en weer kunnen bewegen tijdens het opladen en ontladen van de batterij, en een volledig vaste versie zou veiliger kunnen zijn dan vloeibare elektrolyten, die een hoge vluchtigheid hebben en de bron zijn geweest van explosies in lithium-batterijen, meldde Phys.

"Er is veel werk verricht op het gebied van batterijen in vaste toestand, met lithiummetaalelektroden en vaste elektrolyten," zegt Li, maar deze inspanningen zijn op een aantal problemen gestuit.

Een van de grootste problemen is dat wanneer de batterij wordt opgeladen, atomen zich ophopen in het lithiummetaal, waardoor het uitzet. Het metaal krimpt dan weer tijdens de ontlading, wanneer de batterij wordt gebruikt. Deze herhaalde veranderingen in de afmetingen van het metaal, een beetje zoals het proces van inademen en uitademen, maken het moeilijk voor de vaste stoffen om constant contact te houden, en leiden ertoe dat de vaste elektrolyt breekt of loslaat.

Een ander probleem is dat geen van de voorgestelde vaste elektrolyten werkelijk chemisch stabiel is wanneer zij in contact komen met het zeer reactieve lithiummetaal, en dat zij de neiging hebben na verloop van tijd te degraderen.

De meeste pogingen om deze problemen op te lossen waren gericht op het ontwerpen van vaste elektrolytmaterialen die absoluut stabiel zijn ten opzichte van het lithiummetaal, wat moeilijk blijkt te zijn. In plaats daarvan hebben Li en zijn team gekozen voor een ongebruikelijk ontwerp dat gebruik maakt van twee extra klassen van vaste stoffen, "gemengde ionisch-elektronische geleiders" (MIEC) en "elektron- en Li-ion-isolatoren" (ELI), die absoluut chemisch stabiel zijn in contact met lithiummetaal.

De onderzoekers ontwikkelden een driedimensionale nano-architectuur in de vorm van een honingraatachtige array van zeshoekige MIEC-buisjes, gedeeltelijk doordrenkt met het vaste lithiummetaal om één elektrode van de batterij te vormen, maar met extra ruimte gelaten binnenin elk buisje. Wanneer het lithium tijdens het oplaadproces expandeert, stroomt het in de lege ruimte aan de binnenkant van de buisjes, waarbij het beweegt als een vloeistof, ook al behoudt het zijn vaste kristallijne structuur. Deze stroom, die volledig is opgesloten binnen de honingraatstructuur, verlicht de druk van de uitzetting die wordt veroorzaakt door het opladen, maar zonder de buitenafmetingen van de elektrode of de grens tussen de elektrode en de elektrolyt te veranderen. Het andere materiaal, de ELI, fungeert als een cruciaal mechanisch bindmiddel tussen de MIEC-wanden en de vaste elektrolytlaag.

"We hebben deze structuur ontworpen die ons driedimensionale elektroden geeft, zoals een honingraat," zegt Li. Door de lege ruimtes in elke buis van de structuur kan het lithium "naar achteren kruipen" in de buizen, "en op die manier bouwt het geen spanning op die de vaste elektrolytlaag doet barsten." Het uitzettende en krimpende lithium in deze buisjes beweegt in en uit, ongeveer zoals de zuigers van een automotor in hun cilinders. Omdat deze structuren op nanoschaal worden gebouwd (de buisjes hebben een diameter van 100 tot 300 nanometer en zijn tientallen microns hoog), lijkt het resultaat op "een motor met 10 miljard zuigers, met lithiummetaal als werkvloeistof", aldus Li.

Omdat de wanden van deze honingraatachtige structuren gemaakt zijn van chemisch stabiel MIEC, verliest het lithium nooit het elektrische contact met het materiaal, zegt Li. Zo kan de hele vaste batterij mechanisch en chemisch stabiel blijven tijdens de gebruikscycli. Het team heeft het concept experimenteel bewezen door een testapparaat 100 cycli van opladen en ontladen te laten doorlopen zonder dat de vaste stof breekt.

Li zegt dat hoewel veel andere groepen werken aan wat zij vaste batterijen noemen, de meeste van die systemen eigenlijk beter werken met wat vloeibare elektrolyt gemengd met het vaste elektrolyt materiaal. "Maar in ons geval," zegt hij, "is het echt helemaal vast. Er zit geen enkele vloeistof of gel in."

Het nieuwe systeem zou kunnen leiden tot veilige anodes die slechts een kwart zo veel wegen als hun conventionele tegenhangers in lithium-ionbatterijen, voor dezelfde hoeveelheid opslagcapaciteit. In combinatie met nieuwe concepten voor lichtgewicht versies van de andere elektrode, de kathode, zou dit werk kunnen leiden tot een aanzienlijke vermindering van het totale gewicht van lithium-ionbatterijen. Het team hoopt bijvoorbeeld dat dit kan leiden tot mobiele telefoons die slechts eens in de drie dagen kunnen worden opgeladen, zonder dat de telefoons zwaarder of omvangrijker worden.

Een nieuw concept voor een lichtere kathode werd beschreven door een ander team onder leiding van Li, in een artikel dat vorige maand verscheen in het tijdschrift Nature Energy, met als co-auteurs de MIT postdoc Zhi Zhu en afgestudeerde student Daiwei Yu. Het materiaal zou het gebruik verminderen van nikkel en kobalt, die duur en giftig zijn en in de huidige kathodes worden gebruikt. De nieuwe kathode vertrouwt niet alleen op de capaciteitsbijdrage van deze overgangsmetalen bij het fietsen op batterijen. In plaats daarvan zou hij meer steunen op de redoxcapaciteit van zuurstof, dat veel lichter en overvloediger aanwezig is. Maar in dit proces worden de zuurstofionen beweeglijker, waardoor ze uit de kathodedeeltjes kunnen ontsnappen. De onderzoekers gebruikten een oppervlaktebehandeling bij hoge temperatuur met gesmolten zout om een beschermende oppervlaktelaag te produceren op deeltjes van mangaan- en lithiumrijk metaaloxide, waardoor de hoeveelheid zuurstofverlies drastisch wordt verminderd.

Hoewel de oppervlaktelaag zeer dun is, slechts 5 tot 20 nanometer dik op een 400 nanometer breed deeltje, biedt ze een goede bescherming voor het onderliggende materiaal. "Het is bijna een soort immunisatie," zegt Li, tegen de destructieve effecten van zuurstofverlies in batterijen die bij kamertemperatuur worden gebruikt. De huidige versies zorgen voor een verbetering van minstens 50 procent in de hoeveelheid energie die kan worden opgeslagen voor een bepaald gewicht, met een veel betere cyclusstabiliteit.

Het team heeft tot nu toe alleen kleine apparaten op laboratoriumschaal gebouwd, maar "ik verwacht dat dit zeer snel kan worden opgeschaald," zegt Li. De benodigde materialen, voornamelijk mangaan, zijn aanzienlijk goedkoper dan het nikkel of kobalt dat door andere systemen wordt gebruikt, zodat deze kathodes slechts een vijfde van de kosten van de conventionele versies zouden kunnen bedragen.

Auteur: Tasnim News

Image credit: Pixabay

Dit artikel is gepubliceerd onder Creative Commons Naamsvermelding 4.0 Internationale Licentie.