EO

'Worm van dood lithium' wekt batterijen weer tot leven

11 januari 2022 om 15:21 uur

Wanneer een eiland van geïnactiveerd lithiummetaal naar de anode of negatieve elektrode van een batterij reist en opnieuw verbinding maakt, komt het weer tot leven en draagt elektronen bij aan de stroom van de batterij en lithiumionen om lading op te slaan totdat het nodig is. Het eiland beweegt door lithiummetaal aan het ene uiteinde (blauw) toe te voegen en aan het andere uiteinde op te lossen (rood). Onderzoekers van SLAC en Stanford ontdekten dat ze de groei van het eiland in de richting van de anode konden sturen door een korte, hoge stroomontladingsstap toe te voegen direct nadat de batterij is opgeladen. Door het eiland opnieuw op de anode aan te sluiten, werd de levensduur van hun lithium-ion-testcel met bijna 30% verlengd. Afbeelding: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

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."

 

Gerelateerd nieuws

Twente verw

Twente verwarmt zijn huizen met gas van Grolsch

Het Enschedese bio-energiebedrijf HoSt gaat het biogas van de Grolsch afvalwaterzuivering omzetten in Groen Gas (jaarlijks 1 miljoen Nm3). Dit duurzame alternatief voor fossiel aardgas voorziet in de behoefte van zo'…

Nederlandse start-up Venturi ontwikkelt elektrisch vliegtuig voor 44 personen

Nederlandse start-up Venturi ontwikkelt elektrisch vliegtuig voor 44 personen

De Delftse start-up Venturi Aviation werkt aan een revolutionair elektrisch vliegtuig met 44 zitplaatsen en een vliegafstand van 550 km. Elektrisch vliegen is tot nu toe alleen mogelijk voor kleine vliegtuigen. Venturi…

Taiwanese  krijgt 'rots' van zonnepanelen

Taiwan krijgt 'rots' van zonnepanelen

Taiwan krijgt een gebouw dat geheel is bedekt met zonnepanelen. De iconische ‘Sun Rock’ moet jaarlijks 1 miljoen kWh stroom gaan leveren.

Webshop

webshop

 

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Focus op

ABB BV
ABB BV

Machineveiligheid, systemen en componenten

Elobau Benelux BV *
Elobau Benelux BV *

creating sustainable solutions

Güdel Benelux
Güdel Benelux

Lineaire aandrijf componenten en oplossingen

Orfa Visser BV
Orfa Visser BV

Gespecialiseerd in Forceren, Dieptrekken, Flenswalsen, Lassen en Apparatenbouw.

Pilz Nederland
Pilz Nederland

Voor industriële (veilige) automatiseringsoplossingen

Rotero Holland BV
Rotero Holland BV

Stappenmotor - Servomotor - Elektro Magneet

Download gratis engineering boeken

A gratis boeken downloaden

 

Agenda

7 februari 2022

Week van de Circulaire Economie

Circulaire ondernemers zetten hun deuren open voor publiek.

10 februari 2022, online

Ignite

Techleap.nl Summit 2022

15 februari 2022

Masterclass additive manufacturing voor nieuwe mobiliteitsconcepten

Over de voordelen van additive manufacturing voor de mobiliteitsindustrie en hoe dit kan leiden tot...

Meer agendapunten »