Lithium-ionbatterijen bevatten een verrassend chemisch verschijnsel dat jarenlang over het hoofd is gezien. Onderzoekers van Columbia University ontdekten dat lithiumionen zich in de elektrolyt regelmatig groeperen in clusters. Die blijken een belangrijke rol te spelen bij de vorming van een beschermlaag in batterijen. De ontdekking kan bijdragen aan accu’s die sneller opladen en langer meegaan.
Lithium-ionbatterijen zitten in vrijwel alle elektrische auto’s, smartphones en thuisbatterijen. Toch begrijpen wetenschappers nog niet alle chemische processen die zich binnen deze accu’s afspelen. Onderzoekers van Columbia University hebben nu een belangrijke ontbrekende schakel gevonden.
Uit hun onderzoek, gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature, blijkt dat lithiumionen zich anders gedragen dan lange tijd werd aangenomen.
Tot 40 procent van lithiumionen vormt clusters
Volgens de gangbare voorstelling bewegen lithiumionen grotendeels afzonderlijk door de elektrolyt, de vloeistof die ionentransport tussen de elektroden mogelijk maakt. De Amerikaanse onderzoekers ontdekten echter dat lithiumionen regelmatig samenkomen in groepen, zonder dat daarvoor negatief geladen ionen (anionen) nodig zijn.
In gangbare batterij-elektrolyten blijkt tot wel 40 procent van de lithiumionen deel uit te maken van dergelijke clusters. Bij hogere zoutconcentraties neemt deze groepsvorming verder toe. Dat is opvallend. Positief geladen lithiumionen stoten elkaar elektrisch af. Dat ze desondanks clusters vormen, wijst op een belangrijke rol voor hun interacties met de omringende oplosmiddelmoleculen.
Cruciale beschermlaag in batterijen
De ontdekking is vooral relevant voor de zogenoemde solid electrolyte interphase (SEI). Deze dunne beschermlaag ontstaat op de anode wanneer bestanddelen van de elektrolyt worden afgebroken.
Een goed functionerende SEI-laag laat lithiumionen door, maar beperkt verdere ongewenste chemische reacties. Daarmee beïnvloedt de laag rechtstreeks de levensduur, veiligheid en prestaties van een batterij.
Berekeningen van de onderzoekers wijzen erop dat lithiumclusters relatief gemakkelijk elektronen opnemen. Daardoor kunnen ze een belangrijke rol spelen bij de chemische reacties waaruit de beschermlaag ontstaat.
Dit biedt een nieuwe verklaring voor de manier waarop de samenstelling van elektrolyten de batterijprestaties beïnvloedt.
Kunstmatige intelligentie onthult verborgen chemie
Om de clusters te ontdekken, combineerden de wetenschappers machinelearning met simulaties van de bewegingen en interacties van atomen.
Daarbij gebruikten ze technologie van softwarebedrijf Schrödinger. De simulaties werden vervolgens getoetst aan experimentele metingen, die de voorspelde structuren ondersteunden.
Die combinatie is belangrijk: klassieke simulaties moeten vaak kiezen tussen nauwkeurigheid en rekensnelheid. Machinelearning-modellen kunnen gedetailleerde atomaire interacties benaderen zonder voortdurend kostbare quantummechanische berekeningen uit te voeren.
Betere accu’s door slimmer elektrolytontwerp
De praktische betekenis gaat verder dan alleen een beter begrip van batterijchemie.
Als onderzoekers weten welke moleculaire structuren bijdragen aan een stabiele SEI-laag, kunnen ze elektrolyten gerichter ontwerpen. Denk aan het aanpassen van zoutconcentraties, oplosmiddelen en additieven om ongewenste nevenreacties te beperken.
Dat kan uiteindelijk leiden tot batterijen met minder capaciteitsverlies en betere snellaadeigenschappen.
Een belangrijke kanttekening: het onderzoek toont nog geen batterij aan die daadwerkelijk sneller laadt of langer meegaat. Daarvoor zijn aanvullende experimenten op celniveau nodig.
De ontdekking laat vooral zien hoeveel winst mogelijk nog verborgen zit in de elektrolyt, een batterijonderdeel dat minder aandacht krijgt dan nieuwe anode- en kathodematerialen.
