Wetenschappers hebben een manier gevonden om solid-state batterijen vrijwel faalbestendig te maken. De doorbraak pakt een jarenlang hardnekkig probleem aan dat deze veelbelovende batterijtechnologie afremde.
Solid-state batterijen zijn de beloofde opvolgers van lithium-ion technologie, maar kampen al jarenlang met een hardnekkig probleem: hun keramische elektrolyten zijn ongelooflijk efficiënt voor ionentransport, maar ook extreem bros. Onderzoekers van Stanford University hebben nu een verrassende doorbraak gemeld: een nanodunne zilvercoating kan de broosheid van deze elektrolyten met een factor vijf verminderen.
Volgens de studie, gepubliceerd in Nature Materials, voorkomt deze ultradunne zilverlaag dat microscopische scheurtjes in de elektrolyt groeien tijdens gebruik, vooral bij snel opladen. Dit kan de levensduur en veiligheid van solid-state batterijen drastisch verbeteren en mogelijk de weg vrijmaken voor energieopslagtechnologieën met hogere dichtheid en snellere oplaadtijden.
Microscheurtjes maken batterij onbruikbaar
De kern van het probleem ligt in de aard van de keramische elektrolyten, zoals het veelbelovende LLZO-materiaal (lithium-lanthanum-zirconium-oxide). Professor Wendy Gu van Stanford vergelijkt het materiaal met een gebroken servies: “Op microscopische schaal hebben deze keramieken al kleine scheurtjes, net zoals je thuis een bord kunt hebben met minuscule barstjes. Onder mechanische stress of bij snel opladen kunnen deze scheurtjes groeien en uiteindelijk de batterij onbruikbaar maken.”
Solid-state batterijen bestaan uit lagen van kathode, elektrolyt en anode. Perfecte productie zonder enige imperfectie is praktisch onmogelijk en extreem kostbaar. Daarom zochten de onderzoekers een realistischere oplossing: een beschermende coating aanbrengen in plaats van het hele keramische materiaal perfect te maken.
Zilver als oplossing
De onderzoekers brachten een slechts 3 nanometer dikke zilverfilm aan op het oppervlak van het LLZO-materiaal en verhitten dit vervolgens tot 300°C. Door dit proces diffundeerden zilverionen enkele tientallen nanometers de elektrolyt in en vervingen lithiumionen in het rooster.
Deze zilverionen werken als een nanoschild: ze verharden het materiaal lokaal en blokkeren lithiumionen die anders de scheurtjes zouden binnendringen en destructieve vertakkingen zouden vormen. Het resultaat: de zilverbehandelde elektrolyt kan vijf keer meer mechanische druk weerstaan voordat het breekt.
Xin Xu, postdoctoraal onderzoeker aan Stanford en hoofd van de studie legt uit: ”Nanoschaal zilver-doping laat zien dat je fundamenteel kunt veranderen hoe scheuren ontstaan en zich verspreiden aan het oppervlak van de elektrolyt. Zo ontstaan duurzame, faalbestendige solid-state elektrolyten voor de energieopslag van de volgende generatie.”
Sneller opladen zonder risico
Een van de grootste voordelen van deze aanpak is de stabiliteit bij snel opladen. In conventionele solid-state batterijen kunnen kleine nano-fissuren bij hoge laadstromen uitgroeien tot schadelijke scheuren. De zilvercoating voorkomt dit mechanisme, waardoor batterijcellen mogelijk sneller en veiliger kunnen worden opgeladen zonder dat de levensduur eronder lijdt.
Bovendien is zilver niet het enige metaal dat werkt. Tests met koperionen gaven enige verbetering, maar zilver blijft de “gouden standaard” voor prestaties, aldus de onderzoekers.
Opschalen naar échte batterijcellen
Tot nu toe zijn de experimenten uitgevoerd op kleine proefstukken. De volgende stap is het opschalen naar volledige batterijcellen en testen of de zilvercoating duizenden laadcycli kan doorstaan – genoeg om een elektrische auto tien jaar te laten meegaan.
Daarnaast onderzoeken de onderzoekers vergelijkbare beschermingsstrategieën voor andere elektrolyten, zoals zwavelgebaseerde en natriumgebaseerde batterijen. Vooral natriumbatterijen zouden een goedkoper en overvloediger alternatief kunnen bieden voor lithium, mits de scheurvorming ook daar kan worden opgelost.
Waarom dit belangrijk is
Als deze techniek op grote schaal toepasbaar blijkt, kan het een doorbraak betekenen voor solid-state batterijen. Niet alleen zouden ze veiliger en sneller oplaadbaar zijn, maar ook efficiënter en duurzamer, waardoor minder lithium nodig is per batterij. In een tijd van wereldwijde vraag naar schone energie en zorgen over grondstoffen kan dit een gamechanger zijn.
