Onderzoekers halen 500 uur stabiliteit uit solid-state batterijen en zetten oud lithium veilig en efficiënt terug in nieuwe cellen, wat de weg vrijmaakt voor krachtigere en duurzamere energieopslag.
Onderzoekers in Massachusetts hebben een belangrijke stap gezet in de ontwikkeling van veilige, krachtige en duurzame batterijen. Door zowel het begin als het einde van de levenscyclus van batterijen aan te pakken, slaagt het team van het Worcester Polytechnic Institute (WPI) erin twee grote uitdagingen in één klap op te lossen: de stabiliteit van solid-state batterijen en het recyclen van lithium-anodes.
Volgens de studies, gepubliceerd in Joule en Materials Today, hebben de onderzoekers onder leiding van professor Yan Wang een nieuwe ijzer-gedopteerde materiaal ontwikkeld dat solid-state batterijen aanzienlijk vereenvoudigt en tegelijkertijd hun prestaties verbetert.
Twee uitdagingen, één oplossing
Solid-state batterijen worden al jaren gezien als de toekomst van energieopslag. Ze zijn veiliger en stabieler dan traditionele lithium-ion batterijen, omdat ze vaste elektrolyten gebruiken in plaats van brandbare vloeistoffen. Toch kampten deze batterijen met twee grote problemen: de incompatibiliteit tussen halide-elektrolyten en lithium-metaalanodes, en het moeilijke hergebruik van deze reactieve anodes aan het einde van hun levensduur.
Een onderzoeksteam onder leiding van professor Yan Wang bij WPI heeft beide obstakels tegelijk aangepakt, met verbluffende resultaten.
500 uur zonder degradatie
De onderzoekers ontwikkelden een nieuw ijzergedopeerd materiaal door lithium-indiumchloride aan te passen. Dit materiaal maakt stabiel direct contact met lithium-indium anodes, waardoor dure en complexe beschermlagen overbodig zijn.
De batterijcellen behouden na meer dan 300 laadcycli nog 80% van hun capaciteit. Symmetrische testcellen functioneerden zelfs meer dan 500 uur zonder degradatie – een primeur in het veld.
“Dit werk laat zien dat ijzerdoping een effectieve strategie is om het ontwerp van solid-state batterijen te vereenvoudigen en tegelijkertijd prestaties en stabiliteit te verbeteren,” zegt Wang.
Lithium uit oude batterijen
Naast verbeterde prestaties ontwikkelden de onderzoekers een veilige en schaalbare methode om lithium-metaalanodes te recyclen. Door een “self-driven” aldol-condensatiereactie met aceton konden versleten anodes worden omgezet in lithiumcarbonaat met een zuiverheid van 99,79%, boven de norm voor nieuwe batterijen.
De teruggewonnen lithiumcarbonaat werd gebruikt om nieuwe kathodes te maken, die vergelijkbare prestaties lieten zien als commerciële varianten. Dit bewijst dat de methode niet alleen theoretisch werkt, maar ook industrieel toepasbaar is.
“Door een veiligheidsrisico om te zetten in een drijvende kracht voor terugwinning, hebben we een proces ontwikkeld dat zowel praktisch als duurzaam is,” aldus Wang.
Dubbele doorbraak, dubbele impact
Deze dubbele doorbraak kan een groot verschil maken voor elektrische voertuigen en grootschalige energieopslag. Stabielere, langer meegaande batterijen verlagen onderhoudskosten en verhogen veiligheid. Tegelijkertijd vermindert hergebruik van lithium de afhankelijkheid van nieuwe mijnbouw, verlaagt de milieu-impact en draagt bij aan een circulaire economie.
Met deze aanpak ontstaat een potentieel circulair batterijsysteem, waarbij oude materialen direct terugvloeien in nieuwe batterijen, zonder kwaliteitsverlies. Dat versnelt de adoptie van duurzame energie en elektrische mobiliteit, terwijl het productieproces betaalbaarder en veiliger wordt.
Door de combinatie van ijzerdoping en lithiumrecycling zijn de onderzoekers een stap dichter bij batterijen die krachtiger, veiliger én duurzamer zijn. Dit kan de standaard zetten voor de volgende generatie energieopslagtechnologieën en de transitie naar schone energie aanzienlijk versnellen.
