Japanse ontwikkeling maakt schaalbare lithium-luchtbatterij mogelijk

Een gezamenlijk onderzoeksteam van het Japanse National Institute for Materials Science (NIMS) en koolstofproducent Toyo Tanso heeft een belangrijke stap gezet in de ontwikkeling van lithium-luchtbatterijen. De onderzoekers presenteerden een nieuwe koolstofelektrode die de prestaties en schaalbaarheid van deze batterijtechnologie aanzienlijk verbetert.

Voor het eerst is een prototype 1 Wh gestapelde lithium-luchtbatterij gebouwd met een 4 × 4 cm koolstofelektrode. De cel functioneerde stabiel, waarmee de onderzoekers aantonen dat de techniek daadwerkelijk kan opschalen richting industriële toepassingen. Tot nu toe bleven lithium-luchtprototypes meestal steken op minieme vermogens van 0,01 Wh of minder.

Lithium-luchtbatterijen gelden al langer als veelbelovend dankzij hun extreem hoge theoretische energiedichtheid, potentieel vergelijkbaar met benzine. Ze zouden elektrische vliegtuigen en elektrische voertuigen veel grotere actieradiussen kunnen geven, maar kampten tot nu toe met drie hoofdzorgen: lage output, beperkte levensduur en slechte schaalbaarheid.

Nieuwe elektrode met gelaagde poriestructuur

In de nieuwe aanpak combineren de onderzoekers Toyo Tanso’s CNovel-poreuze koolstof met NIMS-technologie voor zelfdragende koolstofmembranen. Het resultaat is een elektrode met een hiërarchisch poreuze structuur, die zowel de ionengeleiding als de chemische reacties in de batterij verbetert. In tests hield een lithium-zuurstofbatterij met deze nieuwe elektrode meer dan 150 laadcycli stand bij een relatief hoge stroomdichtheid van 1,5 mA/cm². De hogere kristalliniteit van de koolstof zorgt bovendien voor een langere levensduur.

Op weg naar grotere cellen

Het team ontwikkelde daarnaast een methode om elektroden van 10 × 10 cm en groter te produceren. Daarmee komt de stap naar grotere, praktische lithium-luchtcellen dichterbij. Voor toepassingen zoals luchttaxi’s, elektrische vliegtuigen en EV’s zijn hogere vermogens en grotere celoppervlakken noodzakelijk. De resultaten zijn gepubliceerd in Cell Reports Physical Science.