Wetenschappers hebben voor het eerst laten zien dat lithium-metaalbatterijen onder quasi-commerciële condities langdurig stabiel en veilig kunnen functioneren – een belangrijke doorbraak voor energieopslag.
Lithium-metaalbatterijen (LMB’s) worden al jaren gezien als de volgende grote stap in energieopslag. Ze hebben een veel hogere energiedichtheid dan de huidige lithium-ionaccu’s, en zouden zo de energietransitie én de elektrische mobiliteit naar een hoger niveau kunnen tillen. Toch hield één hardnekkig probleem hun doorbraak tegen: de instabiele lithium-anode.
Volgens de studie, gepubliceerd in National Science Review, hebben onderzoekers van de Southeast University in China nu een goedkope en elegante oplossing gevonden. Met een zwavelrijk additief, 1,3-dithiaan, wisten ze de levensduur van lithium-metaalbatterijen tot wel tien keer te verlengen.
Het probleem met lithium-metaalbatterijen
De belofte van LMB’s is groot: meer energieopslag in een kleiner en lichter pakket. Toch lijden deze batterijen onder instabiele elektrochemie. Tijdens het laden en ontladen ontstaan er vaak dendrieten – naaldachtige lithiumstructuren die de batterij kunnen kortsluiten en zelfs brandgevaar veroorzaken.
De oorzaak ligt in de solid electrolyte interphase (SEI), de dunne grenslaag die zich vormt tussen de lithium-anode en de elektrolyt. In conventionele ester-gebaseerde elektrolyten is deze SEI instabiel, waardoor de capaciteit snel terugloopt.
1,3-dithiaan als oplossing
Het succes van 1,3-dithiaan komt voort uit zijn bijzondere moleculaire structuur. Het additief ondergaat een proces dat bekendstaat als polarity inversion: het reageert met lithiumverbindingen en vormt daarbij een zwavelrijke beschermlaag op de anode. Deze laag zet instabiele organische verbindingen om in stabielere, zwavelhoudende anorganische componenten. Tegelijkertijd beschermt ze de elektrolyt tegen schadelijke reacties.
Het resultaat is een veel robuustere SEI, die de dendrietgroei sterk onderdrukt en de batterij veel langer laat meegaan.
Drievoudig werkingsmechanisme
Het additief werkt op drie manieren tegelijk: het voorkomt de vorming van instabiele organische componenten in de SEI door polarity inversion, optimaliseert de kinetiek en thermodynamica zodat lithiumionen sneller bewegen met PF6–-ionen die een geleidende, anorganische laag vormen, en profiteert van een uitzonderlijk hoog zwavelgehalte van 53,5%. Dat is bijna twee keer zo hoog als bij traditionele additieven, waardoor het ook bij lage concentraties effectief blijft.
Resultaten: tot 10x langere levensduur
De impact van dit additief is ronduit indrukwekkend. Labcellen met de aangepaste elektrolyt behouden nog 83,6% van hun capaciteit na 3.300 cycli bij een 1C-laadsnelheid. In laboratoriumopstellingen bleken de cellen zelfs een tienvoudige verlenging van de cyclusduur te bereiken, met 93,1% capaciteit na 150 cycli.
Dit zijn prestaties die veel verder gaan dan een simpele verdubbeling en voor het eerst laten zien dat LMB’s onder quasi-commerciële condities langdurig stabiel en veilig kunnen functioneren.
Eenvoudige ingreep met enorme impact
Deze ontdekking is meer dan een academische mijlpaal. Een goedkope en universeel toepasbare strategie voor stabiele interfaces kan de deur openen naar praktische lithium-metaalbatterijen op grote schaal.
De studie van Wu en Wang toont dat een relatief eenvoudige chemische ingreep – een zwavelrijk additief – een enorme impact kan hebben op de prestaties van batterijen. Waar veel onderzoek focust op nieuwe en dure materialen, laat dit werk zien dat slimme moleculaire strategieën misschien wel de sleutel zijn om de energiedroom van lithium-metaalbatterijen eindelijk waar te maken.
