Een kleine chemische ingreep in vaste elektrolyten zou lithium-ionen eindelijk sneller kunnen laten bewegen – en daarmee solid-state batterijen zowel veiliger als praktisch bruikbaar maken.
Solid-state batterijen worden al jaren gezien als de volgende stap in batterijtechnologie. Ze vervangen de brandbare vloeibare elektrolyt van conventionele lithium-ion accu’s door een vaste stof, waardoor ze veiliger, stabieler bij hoge temperaturen en potentieel energie-dichter zijn. Toch vertraagt een groot probleem de doorbraak: lithium-ionen bewegen zich veel trager door vaste materialen dan door vloeistoffen, wat leidt tot langere laadtijden en lagere prestaties.
Onderzoekers van Kennesaw State University hebben nu een veelbelovende oplossing gevonden. Door een onverwachte chemische ontdekking kunnen lithium-ionen nu veel sneller bewegen. Solid-state batterijen worden zo niet alleen veiliger, maar laden ook aanzienlijk sneller op.
Niet het hele ontwerp op de schop
Het onderzoek staat onder leiding van Beibei Jiang, assistant professor Electrical and Computer Engineering. In plaats van een volledig nieuw batterijconcept te ontwikkelen, richt haar team zich op een subtieler – maar cruciaal – detail: de interfaces tussen verschillende vaste materialen in de batterij.
Moderne solid-state elektrolyten bestaan vaak uit een composiet van keramiek en polymeren. Keramiek geleidt lithium-ionen goed, polymeren zijn flexibel en makkelijker te verwerken. Het probleem zit precies op de overgang tussen die twee: daar ontstaat elektrische weerstand die de ionenstroom afremt.
Onverwachte oplossing
De oplossing kwam uit een onverwachte bron. Door het composiet te modificeren met zwavelhoudende chemische groepen, verbeterden ze de hechting tussen keramiek en polymeer. Het resultaat: lagere interfaciale weerstand en snellere lithium-iontransport.
“Lithium-ionen zijn als auto’s op een snelweg,” legt Jiang uit. “Onze zwavelmodificatie maakt die snelweg gladder, zodat de ionen sneller kunnen bewegen. Dat betekent sneller laden en betere prestaties.”
Tijdens de experimenten ontdekten de onderzoekers ook een sterke interactie tussen zwavel en zirconium, een element in de keramische elektrolyt. Deze chemische binding speelt een sleutelrol in het verbeteren van de prestaties – een fenomeen dat nog niet eerder in solid-state batterijonderzoek werd beschreven.
Toeval leidt tot doorbraak
De ontdekking was deels toevallig. In vroege tests gebeurde er een chemische reactie veel sneller dan verwacht. In plaats van het resultaat weg te gooien, onderzochten Jiang en haar team de oorzaak en konden ze het proces beheersbaar maken.
“Het gebeurde bijna per ongeluk,” zegt Jiang. “Maar het leidde tot een van de meest veelbelovende doorbraken in ons project.”
Veiligheid en prestaties hand in hand
Het elimineren van vloeibare elektrolyten betekent ook dat veel risicofactoren verdwijnen: lekkage, gasvorming, kortsluiting en thermische runaway behoren tot het verleden. Voor toepassingen zoals elektrische voertuigen en grootschalige energieopslag is dat een enorme stap vooruit.
Van lab naar prototype
Het meeste werk vindt plaats in Jiang’s laboratorium op de Marietta Campus van Kennesaw State. Studenten synthetiseren materialen, bouwen prototype-accu’s en testen die in zogeheten coin cells, een standaardformaat voor fundamenteel batterijonderzoek.
Het project wordt ondersteund door een NSF-subsidie van 200.000 dollar, aangevuld met interne financiering. Voorlopig ligt de focus op stabiliteit en reproduceerbaarheid.
“Eerst moeten we aantonen dat dit ontwerp betrouwbaar is en langdurig stabiel blijft,” aldus Jiang. “Pas daarna kunnen we nadenken over opschaling en industriële productie.”
Veelbelovende toekomst
Hoewel de technologie nog in een vroeg stadium zit, biedt de aanpak veel potentieel. Door niet de volledige batterijarchitectuur te veranderen, maar te optimaliseren waar de echte knelpunten zitten – de interfaces – is de kans groter dat de methode breed toepasbaar wordt.
Als de langetermijnstabiliteit en maakbaarheid kunnen worden bewezen, zou deze onverwachte ontdekking solid-state batterijen eindelijk van een veelbelovende technologie naar een praktische, commerciële oplossing kunnen brengen.
