Onderzoekers van de Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) hebben een lithium-metaalbatterij ontwikkeld die een energiedichtheid van 467 Wh/kg bereikt. Dankzij een slimme aanpassing van de interne batterijstructuur moet de technologie niet alleen lichtere accu’s mogelijk maken, maar ook een belangrijk slijtageprobleem aanpakken.
De ontwikkeling kan een belangrijke stap betekenen voor toekomstige elektrische auto’s en energieopslagsystemen. Het onderzoeksteam onder leiding van professor Minhua Shao presenteert een zogenoemde anodevrije lithium-metaalbatterij, waarbij een traditionele anode plaatsmaakt voor een dunne koperen stroomcollector.
Hierdoor bevat de batterij minder materiaal dat niet actief bijdraagt aan de energieopslag. Dat maakt een hogere energiedichtheid mogelijk, zonder dat de accu noodzakelijkerwijs groter of zwaarder wordt. Het onderzoek werd gepubliceerd in Nature Communications.
Aantrekkelijk concept met een vervelend probleem
Het concept klinkt aantrekkelijk, maar kent een hardnekkig probleem. Koper trekt lithium van nature slecht aan. Tijdens het opladen kan lithium daardoor ongelijkmatig neerslaan en dendrieten vormen: microscopisch kleine, naaldachtige structuren die de batterij kunnen beschadigen en kortsluiting kunnen veroorzaken.
Ook de beschermende laag tussen elektrode en elektrolyt, de zogenoemde solid electrolyte interphase (SEI), is vaak onvoldoende stabiel. Daardoor gaat bij herhaaldelijk laden en ontladen actief lithium verloren.
Zilverionen zorgen voor stabielere batterij
De onderzoekers ontwikkelden een additief met zilverionen en anionen dat meerdere problemen tegelijk aanpakt.
De zilverionen veranderen het koperen oppervlak, waardoor lithium zich gelijkmatiger afzet. Tegelijkertijd ontstaat een beschermende SEI-structuur met een organischrijke binnenlaag en een anorganischrijke buitenlaag.
De anionen brengen bovendien een polymerisatiereactie op gang, waardoor een quasi-vaste gel ontstaat. Die houdt het contact tussen elektrode en elektrolyt stabiel en helpt ongewenste dendrietvorming te beperken. Volgens de onderzoekers maakt deze gecombineerde aanpak het afzetten en verwijderen van lithium aanzienlijk beter omkeerbaar.
467 Wh/kg, maar commerciële toepasssing vraagt meer onderzoek
De resultaten zijn veelbelovend. Een experimentele pouchcel bereikte een energiedichtheid van 467 Wh/kg. Een afzonderlijke knoopcel behield na 200 laad- en ontlaadcycli nog 90 procent van zijn oorspronkelijke capaciteit.
Dat zijn relevante prestaties, maar ze vormen nog geen bewijs dat de technologie klaar is voor elektrische auto’s. De energiedichtheid en levensduur werden namelijk bij verschillende celconfiguraties vastgesteld.
Voor commerciële toepassing zijn onder meer langdurige cyclustests, veiligheidsonderzoek en opschaling naar grotere batterijcellen nodig.
Toch laat het onderzoek zien dat het aanpassen van batterijinterfaces een interessante route is naar compactere energieopslag. Vooral voor elektrische voertuigen, waar iedere kilogram telt, kan een hogere energiedichtheid uiteindelijk veel verschil maken.
