11 jan. 2022
3 minuten
Onderzoekers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en de Stanford University (VS) hebben een manier gevonden om oplaadbare lithiumbatterijen nieuw leven in te blazen, waardoor het bereik van elektrische voertuigen en de levensduur van de batterij in elektronische apparaten van de volgende generatie mogelijk wordt vergroot.
Tijdens de cyclus van lithiumbatterijen hopen ze kleine eilandjes van inactief lithium op die worden afgesneden van de elektroden, waardoor de capaciteit van de batterij om lading op te slaan afneemt. Maar het onderzoeksteam ontdekte dat ze dit "dode" lithium als een worm naar een van de elektroden konden laten kruipen totdat het opnieuw verbinding maakte, waardoor het ongewenste proces gedeeltelijk werd omgekeerd.
Het toevoegen van deze extra stap vertraagde de degradatie van hun testbatterij en verlengde de levensduur met bijna 30%.
"We onderzoeken nu het mogelijke herstel van verloren capaciteit in lithium-ionbatterijen met behulp van een extreem snelle ontlaadstap", zegt hoofdauteur Fang Liu van een studie gepubliceerd in Nature.
Verbinding verbroken
Er wordt veel onderzoek gedaan naar manieren om oplaadbare batterijen te maken met een lager gewicht, een langere levensduur, verbeterde veiligheid en snellere laadsnelheden dan de lithium-iontechnologie die momenteel wordt gebruikt in mobiele telefoons, laptops en elektrische voertuigen. Een bijzondere focus ligt op de ontwikkeling van lithium-metaalbatterijen, die meer energie per volume of gewicht zouden kunnen opslaan. In elektrische auto’s kunnen deze accu’s van de volgende generatie bijvoorbeeld het aantal kilometers per lading verhogen en mogelijk minder kofferruimte innemen.
Beide batterijtypes gebruiken positief geladen lithiumionen die heen en weer pendelen tussen de elektroden. Na verloop van tijd wordt een deel van het metallische lithium elektrochemisch inactief en vormt het geïsoleerde lithiumeilanden die niet langer met de elektroden verbonden zijn. Dit leidt tot capaciteitsverlies en is vooral een probleem voor de lithium-metaaltechnologie en voor het snel opladen van lithium-ionbatterijen.
In de nieuwe studie toonden de onderzoekers echter aan dat ze het geïsoleerde lithium konden mobiliseren en herstellen om de levensduur van de batterij te verlengen.
"Ik heb geïsoleerd lithium altijd als slecht beschouwd, omdat het ervoor zorgt dat batterijen achteruit gaan en zelfs in brand vliegen", zegt onderzoeksleider Yi Cui. "Maar we hebben ontdekt hoe we dit ‘dode’ lithium elektrisch opnieuw kunnen verbinden met de negatieve elektrode om het opnieuw te activeren."
Kruipend, niet dood
Het idee voor de studie werd geboren toen Cui speculeerde dat het aanbrengen van een spanning op de kathode en anode een geïsoleerd lithium-eiland fysiek tussen de elektroden zou kunnen laten bewegen – een proces dat zijn team nu heeft bevestigd met hun experimenten.
De wetenschappers fabriceerden een optische cel met een lithium-nikkel-mangaan-kobalt-oxide (NMC) kathode, een lithiumanode en een geïsoleerd lithiumeiland ertussen. Met dit testapparaat konden ze in realtime volgen wat er in een batterij gebeurt tijdens gebruik.
Ze ontdekten dat het geïsoleerde lithium-eiland helemaal niet ‘dood’ was, maar reageerde op batterijoperaties. Bij het opladen van de cel bewoog het eiland zich langzaam naar de kathode; bij het ontladen kroop het in de tegenovergestelde richting.
"Het is als een zeer langzame worm die zijn kop naar voren schuift en zijn staart naar binnen trekt om nanometer voor nanometer te bewegen," zei Cui. "In dit geval wordt het getransporteerd door aan de ene kant op te lossen en aan de andere kant materiaal af te zetten. Als we de lithiumworm in beweging kunnen houden, zal hij uiteindelijk de anode raken en de elektrische verbinding herstellen."
Levensduur verlengen
De resultaten, die de wetenschappers hebben gevalideerd met andere testbatterijen en via computersimulaties, laten ook zien hoe geïsoleerd lithium kan worden teruggewonnen in een echte batterij door het oplaadprotocol aan te passen.
"We ontdekten dat we het losgemaakte lithium tijdens het ontladen naar de anode kunnen verplaatsen, en deze bewegingen zijn sneller bij hogere stromen", zei Liu. "Dus hebben we een snelle, hoge stroomontladingsstap toegevoegd direct na het opladen van de batterij, waardoor het geïsoleerde lithium ver genoeg werd verplaatst om het opnieuw met de anode te verbinden. Hierdoor wordt het lithium opnieuw geactiveerd en kan het deelnemen aan de levensduur van de batterij."
Ze voegde eraan toe: "Onze bevindingen hebben ook grote implicaties voor het ontwerp en de ontwikkeling van robuustere lithium-metaalbatterijen."
Anderen lazen ook
