Een slimme combinatie van een microscoop en een algoritme kan lithium-metaalbatterijen veiliger en efficiënter maken. Onderzoekers van UC San Diego ontwikkelden een eenvoudige manier om lithiumafzetting objectief te meten: een doorbraak die de levensduur en actieradius van elektrische auto’s drastisch kan verlengen.
Een veelgebruikte microscoop en een slimme wiskundige truc. Dat is alles wat onderzoekers van de University of California San Diego nodig hadden om een hardnekkig probleem in batterijonderzoek op te lossen. Denk: veiligere accu’s, een langere levensduur, en mogelijk elektrische auto’s die twee keer zo ver kunnen rijden op een lading.
Een lastig probleem in lithium-metaalbatterijen
De belofte van lithium-metaalbatterijen is groot. Ze kunnen veel meer energie opslaan dan de huidige lithium-ion-varianten, wat ze ideaal maakt voor elektrische voertuigen en grootschalige energieopslag. Maar er is een probleem dat hun doorbraak in de weg staat: onvoorspelbare lithiumafzetting.
Tijdens het opladen en ontladen van een batterij slaat lithium neer op de elektrode. In een ideale wereld gebeurt dat netjes en gelijkmatig. In werkelijkheid ontstaan er grillige structuren, soms beschreven als ‘mosachtig’, ‘draadachtig’ of ‘klonterig’. Deze zogeheten dendrieten kunnen het interne scheidingsmembraan van een batterij doorboren, wat kan leiden tot kortsluiting en zelfs brand.
Tot nu toe werd de kwaliteit van die lithiumafzetting vooral visueel beoordeeld, op basis van beelden uit scanning-elektronenmicroscopen (SEM). Maar dat leidde tot problemen: verschillende onderzoeksgroepen gebruikten verschillende termen, maatstaven en inschattingen. Wat de ene onderzoeker ‘uniform’ noemt, noemt de andere ‘onregelmatig’.
De Index of Dispersion: meten is weten
Daar komt nu verandering in. Promovenda Jenny Nicolas en haar team ontwikkelden een eenvoudige, maar doeltreffende methode om lithiumafzetting objectief te meten. Hun oplossing: een algoritme dat SEM-beelden omzet in een Index of Dispersion (ID): een cijfer dat de mate van gelijkmatigheid van de lithiumverdeling weergeeft.
De aanpak werkt als volgt:
- SEM-beelden van de batterij-elektrode worden omgezet in zwart-wit.
- De witte pixels geven actieve lithiumafzetting weer.
- Het algoritme verdeelt het beeld in segmenten, telt het aantal witte pixels per segment en berekent op basis daarvan een ID-score.
Een score van nul betekent: perfecte uniformiteit. Hoe hoger de score, hoe ongelijkmatiger de lithiumverdeling.
Van simulatie naar praktijk
De onderzoekers testten hun methode op meer dan 2.000 gesimuleerde beelden, waarbij de berekende ID-scores perfect overeenkwamen met de verwachte waarden. Vervolgens gebruikten ze de methode op echte batterijen en ontdekten iets opvallends: naarmate een batterij ouder werd, steeg de ID-score.
Nog interessanter: net vóórdat een batterij faalde, zagen ze consistente schommelingen in de ID-waarden. Dat kan worden gezien als een soort hartslag die waarschuwt voor op handen zijnde problemen. Dit zou wel eens kunnen leiden tot een vroegtijdig waarschuwingssysteem voor kortsluiting, nog vóórdat er gevaarlijke situaties ontstaan.
Toegankelijk en schaalbaar
Wat deze doorbraak zo bijzonder maakt, is de toegankelijkheid. De benodigde SEM-techniek is al gemeengoed in batterijlaboratoria wereldwijd. Het enige wat nodig is, is het toevoegen van het algoritme.
Hierdoor kunnen verschillende onderzoeksgroepen hun resultaten op een gestandaardiseerde manier vergelijken. Dat versnelt de samenwerking en vergroot de kans op doorbraken in batterijtechnologie.
De resultaten van dit onderzoek, onlangs gepubliceerd in Proceedings of the National Academy of Sciences, komen op een cruciaal moment. De vraag naar efficiënte, veilige en duurzame batterijen groeit explosief. Van smartphones en laptops tot elektrische voertuigen en netopslag voor hernieuwbare energie.
