Beter metaal, betere batterijen

Zachte metalen zoals lithium en natrium zijn ideaal als negatieve elektrode in batterijen. “Toch begrijpen we nog maar weinig van de invloed van de metaaltextuur op de batterijprestaties,” zegt professor Shirley Meng van de Universiteit van Chicago. Een studie door haar laboratorium en technologiebedrijf Thermo Fisher Scientific brengt daar verandering in.

De onderzoekers lieten zien dat een betere textuur van het metaal de prestaties van batterijen flink verbetert. Hun werk verscheen in het vakblad Joule.

Snellere batterijen door een slim laagje

De oplossing? Door een dun laagje silicium aan te brengen tussen het lithium en de stroomcollector, ontstaat de gewenste textuur. “Deze aanpassing verbeterde de laad- en ontlaadsnelheid van de batterij bijna tien keer,” vertelt onderzoeksleider Minghao Zhang.

In deze all-solid-state batterijen maakt de textuur het verschil. Een ideale textuur zorgt ervoor dat atomen zich snel langs het oppervlak kunnen verplaatsen. Dat maakt snelladen en krachtig ontladen mogelijk. “We zagen dat kleine verschillen in de oppervlakte-energie van zachte metalen de textuur sterk beïnvloeden,” zegt Zhang. “Door deze kennis slim toe te passen, kunnen we batterijen met hogere vermogensdichtheid maken.”

Microscopen op nanoniveau

Om dit effect goed te bestuderen, moesten de onderzoekers nieuwe microscopietechnieken gebruiken. Ze combineerden een plasma focused ion beam-scanning elektronenmicroscoop (PFIB-SEM) met een electron backscatter diffraction (EBSD)-mapping. Hierdoor konden ze de structuur van het zachte metaal tot in detail analyseren.

“Normaal is het erg lastig om de textuur van lithium of natrium goed te meten,” zegt Zhao Liu van Thermo Fisher Scientific. “Lithium en natrium zijn erg reactief. Maar met deze methode lukte het om het metaal bijna zonder beschadigingen te bestuderen.”

Volgende stap: naar de markt

Batterijproducent LG Energy Solution werkt nu samen met het onderzoeksteam om de vinding commercieel beschikbaar te maken. De onderzoekers willen de druk die tijdens tests nodig is verlagen van 5 naar 1 megapascal – de standaarddruk in de industrie. Ook willen ze onderzoeken hoe de textuur van natrium kan worden verbeterd.

“Nu we weten hoe de textuur ontstaat, denken we dat natrium hetzelfde gedrag kan vertonen als lithium,” zegt Zhang. “Dat zou grote gevolgen kunnen hebben voor de toekomst van duurzame energieopslag.”