Dikkere elektroden kunnen elektrische auto’s een grotere actieradius geven, maar veroorzaken ook een probleem: lithiumionen komen moeilijker door de elektrode heen. Zuid-Koreaanse onderzoekers denken die ‘file’ te kunnen oplossen met slechts 0,5 procent van een relatief eenvoudig materiaal. Het resultaat: een veel hogere vermogensdichtheid én een interessanter productieproces voor toekomstige EV-batterijen.
Onderzoekers van het Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT) voegden graphitic carbon nitride, of g-C3N4, toe aan een droge kathode. Bij een elektrode van circa 68 micrometer dik bleek 0,5 gewichtsprocent al voldoende om de activeringsenergie voor het transport van lithiumionen met 56 procent te verlagen.
Dikke kathode veroorzaakt ‘lithiumfile’
Dikke elektroden zijn aantrekkelijk voor elektrische auto’s. Per vierkante centimeter kan meer actief materiaal worden gebruikt, terwijl relatief minder stroomcollector en separator nodig zijn. Dat kan de energiedichtheid van een accucel verhogen.
Maar er is een keerzijde. Bij een hoge belasting worden lithiumionen vooral dicht bij het oppervlak verbruikt, terwijl materiaal dieper in de elektrode onvoldoende wordt benut. De batterij bevat dan wel veel energie, maar kan die niet snel genoeg leveren.
Het poreuze g-C3N4 pakt dat probleem op twee manieren aan. Het zorgt ervoor dat elektrolyt gemakkelijker in de elektrode doordringt. Tegelijk kunnen stikstofatomen tijdelijk lithiumionen binden, waardoor de stap waarbij een ion zijn omringende oplosmiddelmoleculen moet afschudden gemakkelijker verloopt.
Vermogensdichtheid stijgt tot 2,85 keer
Het verschil is fors. Bij een ontlaadsnelheid van 3C steeg de specifieke capaciteit van 58,8 naar 156,2 mAh per gram: een verbetering van maar liefst 165,9 procent. De vermogensdichtheid werd maximaal 2,85 keer zo hoog. Na 600 laad- en ontlaadcycli behield een pouchcel met de toevoeging 81,3 procent van zijn capaciteit, tegenover 72,9 procent zonder g-C3N4.
Droge productie kan minstens zo belangrijk worden
Interessant is vooral dat KRICT de techniek toepast in droog geproduceerde elektroden. Daarbij zijn geen grote hoeveelheden oplosmiddel en de bijbehorende lange droogovens nodig. Dat kan energieverbruik, fabrieksoppervlak en uiteindelijk productiekosten verlagen.
Dat maakt het onderzoek relevanter dan alleen een nieuw batterijmateriaal. Het laat zien hoe materiaalkunde een van de zwakke plekken van dikke, droog geproduceerde elektroden kan aanpakken.
Een productierijpe EV-batterij is het echter nog niet. Te veel g-C3N4 verhoogt juist de elektrische weerstand en ook het uitzetten van geperste elektroden blijft een uitdaging. Bovendien is een hogere snelle-ontlaadcapaciteit nog geen bewijs dat een auto daadwerkelijk veel sneller kan snelladen. De volgende stap is daarom opschaling naar industriële elektroden en grote automotive cellen.
