Onderzoekers hebben een methode ontwikkeld om een bijna onzichtbare component in lithium-ionbatterijen zichtbaar te maken. Kleine aanpassingen in deze ‘lijm’ kunnen de prestaties en levensduur van batterijen drastisch verbeteren.
Onderzoekers van de University of Oxford hebben een nieuwe techniek ontwikkeld die een klein maar cruciaal onderdeel van lithium-ion batterijen zichtbaar maakt: de polymeren die de negatieve elektroden (anodes) bij elkaar houden. Volgens de studie, gepubliceerd in Nature Communications, kan dit helpen om batterijen sneller, duurzamer en betrouwbaarder te maken.
Lithium-ion batterijen vormen het hart van alles van smartphones tot elektrische voertuigen (EV’s). Ondanks hun succes zijn wetenschappers voortdurend op zoek naar manieren om de prestaties verder te verbeteren, bijvoorbeeld door de geleidbaarheid, stabiliteit en levensduur te verhogen.
Nauwelijks zichtbaar, maar wel cruciaal
Polymer binders worden in kleine hoeveelheden (minder dan vijf procent van het gewicht) toegevoegd aan de negatieve elektrode van een batterij. Ze lijken onopvallend, maar ze zijn cruciaal: ze houden de elektroden bij elkaar, zorgen voor een stabiele elektrische en ionische geleidbaarheid en dragen bij aan de mechanische stabiliteit van de anode.
Door hun lage concentratie zijn deze binders echter nauwelijks zichtbaar met traditionele beeldvormingstechnieken. Daardoor is het jarenlang een ‘zwarte doos’ geweest voor onderzoekers.
Het ‘onzichtbare’ nu eindelijk zichtbaar
Het team onder leiding van Stanislaw Zankowski vond een oplossing met een innovatieve kleuringstechniek. Ze markeerden cellulose- en latexgebaseerde binders met sporen van zilver en broom. Deze markers geven unieke signalen in röntgenspectroscopie, waardoor de binders voor het eerst zichtbaar werden.
Vervolgens gebruikten de onderzoekers elektronenmicroscopie om nauwkeurig te zien hoe de binders verdeeld waren in de anode en hoe ze zich gedroegen op het oppervlak. “Voor het eerst kunnen we niet alleen zien hoe dik de lagen zijn, maar ook hoe de binders zich op nanoschaal vormen en lokaal verspreid zijn,” zegt Zankowski.
Kleine verschillen, grote impact
Uit het onderzoek bleek dat kleine veranderingen in de verdeling van binders een enorme invloed hebben op de prestaties van een batterij. Door alleen het mengen en drogen van de slurry aan te passen, konden de onderzoekers de interne ionische weerstand met wel 40 procent verlagen. Dit is cruciaal voor het sneller opladen van lithium-ion batterijen.
Daarnaast ontdekten ze dat dunne, 10 nanometer dikke lagen van carboxymethyl cellulose (CMC), die graphite oppervlakken moeten coaten, tijdens de productie vaak fragmenteren. Dit leidt tot ongelijkmatige bedekking en beïnvloedt de prestaties negatief.
“Heeft direct invloed op prestaties van batterijen”
Het project combineerde chemie, elektronenmicroscopie, elektrochimische tests en modellering. “Deze innovatieve beeldvorming helpt ons de sleutelprocessen aan het oppervlak van anodes beter te begrijpen, wat direct invloed heeft op levensduur en prestaties van batterijen,” aldus Patrick Grant.
De methode werkt niet alleen voor graphite-elektroden, maar ook voor siliconen en SiOx-anodes, waardoor het een krachtige tool is voor de volgende generatie batterijonderzoek. De onderzoekers hebben inmiddels patent aangevraagd op hun kleuringstechniek.
Wat betekent dit concreet?
Dankzij deze doorbraak kunnen onderzoekers en fabrikanten eindelijk precies zien hoe de bijna onzichtbare lijm in batterijen is verdeeld. Met deze kennis kunnen lithium-ionbatterijen sneller opladen, langer meegaan en betrouwbaarder worden – van smartphones en laptops tot elektrische voertuigen en grootschalige energieopslag.
De ‘onzichtbare’ lijm in batterijen is nu eindelijk zichtbaar, en dat kan een revolutie betekenen voor hoe we energie opslaan en gebruiken.
