Levensduur batterijen aanzienlijk te verlengen dankzij beter ontwerp

Sneller laden én een langere levensduur: bij lithium-ionbatterijen lijken die twee eigenschappen elkaar vaak in de weg te zitten. Onderzoekers van KAIST laten nu zien dat de oplossing mogelijk niet in een nieuw batterijmateriaal zit, maar in de ruimtelijke structuur van de bestaande elektrode. Met een driedimensionale digital twin van een echte batterij kwamen ze erachter waarom sommige elektroden tijdens snelladen veel sneller degraderen dan andere.

Het team bouwde een 3D-digital twin van de grafietanode van een commercieel gebruikte lithium-ionbatterij en kon daarmee het laadproces op detailniveau simuleren. Daaruit bleek dat ruimtelijke verschillen in onder meer de verdeling van bindmiddel lokaal voor problemen zorgen tijdens snelladen. De batterij kan daardoor op sommige plekken zwaarder worden belast dan op andere, waardoor de degradatie versnelt.

Van virtueel naar fysiek

Dat zou moeten leiden tot een andere manier om deze batterijen te ontwerpen. In plaats van telkens nieuwe elektroden te produceren en vervolgens uitgebreid te testen, kunnen onderzoekers met de digital twin eerst virtueel onderzoeken hoe een elektrode zich onder verschillende laadcondities gedraagt. Vervolgens kunnen ze de verdeling van de verschillende componenten optimaliseren voor de productie van een nieuwe fysieke batterij.

Het onderzoek suggereert dat een batterij met dezelfde basismaterialen aanzienlijk beter kan presteren wanneer de interne structuur slimmer wordt ontworpen. Dat is potentieel belangrijk voor elektrische auto’s: als zulke geoptimaliseerde elektroden daadwerkelijk kunnen worden geproduceerd, zou dezelfde batterijtechnologie sneller kunnen laden zonder dat de levensduur daar even sterk onder lijdt. De onderzoekers zien de 3D-digital twin daarom vooral als een instrument om sneller tot optimale elektrodeontwerpen te komen.