Japanse onderzoekers hebben een methode ontwikkeld om lithium-ionbatterijen extreem duurzaam te maken. Met mangaanrijke cathodes blijft de batterij stabiel, zelfs na 500 laad- en ontlaadcycli.
Lithium-ionbatterijen zijn de ruggengraat van onze geëlektrificeerde wereld. Ze slaan energie op van zonne- en windinstallaties, drijven elektrische voertuigen aan en vinden hun weg naar alles van wearables tot grootschalige energieopslagsystemen. Maar hun wijdverspreide gebruik kent ook uitdagingen. Kobalt, een veelgebruikt element in batterijen, is duur en wordt vaak onder ethisch twijfelachtige omstandigheden gedolven. Bovendien kan de grootschalige productie van lithium-ioncellen zelf milieuproblemen veroorzaken.
Volgens de studie, gepubliceerd in Journal of the American Chemical Society, hebben onderzoekers aan het Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR) een manier gevonden om deze problemen te tackelen door mangaanrijke cathodes te gebruiken. Die zijn bovendien ook nog eens goedkoper en milieuvriendelijker dan de gebruikelijke kobalt-gebaseerde alternatieven.
Mangaan als gamechanger
In een lithium-ionbatterij zijn het de cathode en anode die de prestaties bepalen. De cathode is meestal duur, deels omdat kobalt wordt gebruikt. Mangaan is een veel goedkoper en overvloediger element, maar eerdere pogingen om het te gebruiken stuitten op grote problemen, waaronder zogenoemde Jahn-Teller (JT) vervormingen. Deze vervormingen treden op wanneer bepaalde mangaanionen (Mn³⁺) hun elektronische configuratie aanpassen, wat leidt tot structurele instabiliteit en vroegtijdige degradatie van de batterij.
De onderzoekers van WPI-AIMR pakten het probleem fundamenteel anders aan dan eerdere studies. In plaats van oppervlakkige coatings of doping, gebruikten zij interfacial orbital engineering om JT-vervormingen op atomair niveau te voorkomen.
Revolutionaire aanpak
Wat betekent interfacial orbital engineering precies? Kort gezegd gaat het om het manipuleren van de elektronische banen (orbitalen) van mangaanatomen bij de interfaces van de cathodematerialen. Door zogenaamde ‘orbital geometric frustration’ toe te passen bij niet-collineaire interfaces, konden de onderzoekers voorkomen dat elektronen hun energie minimaliseren op een manier die de structuur zou destabiliseren. Het resultaat: de mangaanstructuur blijft stabiel, zelfs na honderden laad- en ontlaadcycli.
Deze aanpak is revolutionair omdat het een brug slaat tussen elektrochemie en vaste-stoffysica, en een nieuw paradigma introduceert voor materiaalontwikkeling dat resistent is tegen structurele vervormingen.
Resultaat: batterijen die nauwelijks degraderen
Tests laten zien dat de mangaanrijke cathodes bijna perfecte cyclingsprestaties leveren, zonder significante degradatie zelfs na 500 cycli. Voor toepassingen zoals elektrische voertuigen betekent dit stabiele actieradius en langere levensduur, waardoor de uiteindelijke prijs van een EV ook gunstiger wordt.
Op grotere schaal kunnen lithium-mangaan-oxidebatterijen efficiënt grote hoeveelheden hernieuwbare energie opslaan en vrijgeven tijdens piekverbruik, wat bijdraagt aan een schonere, groenere economie tegen lagere kosten.
Goedkoper, milieuvriendelijker én toekomstbestendig
Mangaan is niet alleen goedkoper dan kobalt, het is ook overvloediger en milieuvriendelijker. Door deze stap kunnen batterijen goedkoper, duurzamer én ethischer worden geproduceerd. Volgens Hao Li zijn mangaan-oxides ook veelbelovend voor natrium-ionbatterijen. Dit vergroot het potentieel van de technologie alleen maar verder, nu natrium-ion steeds vaker in de schijnwerpers staat.
Lithium-ion heruitgevonden
De ontdekking van de onderzoekers laat zien hoe fundamentele wetenschap direct kan doorwerken naar praktische technologie. Dankzij interfacial orbital engineering kunnen lithium-ionbatterijen goedkoper, milieuvriendelijker en bijna onverwoestbaar worden gemaakt. Voor elektrische voertuigen, draagbare technologie en grootschalige energieopslag markeert dit een grote stap richting een duurzame, geëlektrificeerde toekomst.
