13 mrt. 2023
3 minuten
Batterijonderzoekers hebben de code gekraakt om real-time 3D-beelden te maken van de veelbelovende maar temperamentvolle lithium-metaalbatterij terwijl hij laadt en ontlaadt.
“We hebben een nieuw venster geopend om de lithium-metaalbatterijen van de toekomst te begrijpen en op de lange termijn te optimaliseren. Als we precies kunnen bestuderen wat er met het lithium in een cel gebeurt tijdens het laden, krijgen we belangrijke kennis over wat de innerlijke werking ervan beïnvloedt”, zegt Aleksandar Matic, natuurkundeprofessor aan de Chalmers University of Technology en eerste auteur van de wetenschappelijke studie die onlangs werd gepubliceerd in Nature Communications.
Er is goede hoop dat nieuwe batterijconcepten, zoals lithium-metaalbatterijen, de huidige lithium-ionbatterijen kunnen vervangen. Het doel is om energiedichtere en veiligere batterijen te ontwikkelen waarmee we verder kunnen komen tegen lagere kosten – zowel financieel als ecologisch. Vastestofbatterijen, lithium-zwavelbatterijen en lithium-zuurstofbatterijen behoren tot de veelbelovende alternatieven. Al deze concepten bouwen voort op het idee dat de batterijanode bestaat uit een lithiummetaal in plaats van het grafiet dat in de huidige batterijen zit. Zonder grafiet zal de batterijcel lichter zijn en met lithiummetaal als anode zal het ook mogelijk zijn kathodematerialen met een hoge capaciteit te gebruiken. Hierdoor is het mogelijk om drie tot vijf keer de energiedichtheid te bereiken.
Lithium vormt ongewenste microstructuren
Lithium-metaalbatterijen hebben echter één cruciaal probleem: wanneer de batterij wordt opgeladen of ontladen, slaat het lithium niet altijd zo plat en glad neer als zou moeten. Vaak vormt het mos- of naaldachtige microstructuren, waardoor delen van het afgezette lithium geïsoleerd kunnen raken en dan inactief zijn. De naaldachtige dendrieten kunnen ook de andere elektrode te bereiken en kortsluiting te veroorzaken.
“Om deze technologie in de volgende generatie batterijen te kunnen gebruiken, moeten we kijken hoe een cel wordt beïnvloed door factoren als stroomdichtheid, de keuze van het elektrolyt en het aantal cycli. Nu hebben we een hulpmiddel om dit te doen”, zegt hoofdauteur Matthew Sadd
Opgewonden wachten op de eerste glimp
Het experiment werd uitgevoerd bij de Zwitserse synchotron Swiss Light Source bij Zürich met een speciaal ontworpen batterijcel om te bestuderen wanneer lithium wordt afgezet, in realtime en in 3D met behulp van röntgentomografische microscopie. Hoewel al veel onderzoekers lithiummetaal in een werkende cel wilden bestuderen, was nog niemand daartoe in staat – voor zover het team weet.
“Het was magisch toen we met eigen ogen zagen dat het werkte bij de eerste poging,” zei Matic. “Toen we zagen dat het lithium grote structuren creëerde, zoals enorme naalden, was het bijna alsof we in een maanlandingsproject zaten. We willen al zo lang de interne werking van batterijen in realtime observeren. En nu kunnen we dat.”
Sleutelstukje van de puzzel voor grootschalig gebruik
Nu wil het onderzoeksteam de techniek testen op andere batterijconcepten, in de hoop dat de benodigde beeldvormingstechnologie dichter bij huis beschikbaar zal zijn, bijvoorbeeld in het Zweedse MAX IV-laboratorium, een nationale onderzoeksfaciliteit voor geavanceerde röntgenexperimenten.
“We kijken ernaar uit om deze methode te ontwikkelen om snellere metingen met een hogere resolutie uit te voeren om meer gedetailleerde microstructuren te zien die al vroeg in het depositieproces worden gevormd”, zegt Matic. “Dit is een belangrijk puzzelstukje om lithium-metaalbatterijen op grote schaal te kunnen gebruiken en veilig te maken. Veel onderzoeksteams en bedrijven kijken naar het lithiummetaalconcept voor hun toekomstige prototypes.”
Anderen lazen ook
