Een Zuid-Koreaans onderzoeksteam heeft een baanbrekende productiemethode ontwikkeld voor lithium-metaalbatterijen die de veiligheid en levensduur van accu’s voor elektrische voertuigen aanzienlijk kan verbeteren. De techniek, die gebruik maakt van een oplosmiddelvrije ’transfer print’-methode, zou weleens de sleutel kunnen zijn tot snellere doorbraken in solid-state en lithium-zwavelbatterijen.
Lithium-metaalanodes bieden tot tien keer de theoretische capaciteit van traditionele lithium-ionbatterijen, waardoor ze al jaren gezien worden als de heilige graal van batterijtechnologie. Ze vormen de basis voor de volgende generatie batterijtypes die cruciaal zijn voor toepassingen waar energiedichtheid telt: denk aan elektrische auto’s met grote actieradius of grootschalige energieopslag voor netbalancering.
Toch is er één hardnekkig probleem: de vorming van zogenoemde dendrieten. Deze microscopische lithiumnaaldjes groeien tijdens het laden en ontladen als stalagmieten op de anode en kunnen uiteindelijk het interne membraan van de batterij doorboren. Gevolg: kortsluiting, brandgevaar en een fors ingekorte levensduur.
De sleutel: printen zonder natte chemie
Het team van het Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT), onder leiding van dr. Jungdon Suk, heeft nu een alternatieve productiemethode ontwikkeld die deze zwakke plek aanpakt. In plaats van de klassieke ‘wet coating’-technieken waarbij oplosmiddelen nodig zijn — schadelijk voor het uiterst reactieve lithium — kozen de onderzoekers voor een droge aanpak. Ze ontwikkelden een roll-based transfer-printtechniek waarbij een beschermende laag direct op het lithiumoppervlak wordt geperst.
Die beschermlaag bestaat uit twee varianten: een dubbele laag van goud en alumina (Al₂O₃), en een hybride film van keramiek (Al-LLZO) gecombineerd met een polymeercomponent. Vooral die laatste variant lijkt een interessante balans te bieden tussen mechanische sterkte en flexibiliteit.
Met een dikte van slechts 5 micrometer en een uniforme hechting aan het lithiumoppervlak slaagt deze laag erin om dendrietgroei effectief te remmen zonder de elektrochemische prestaties van de batterij aan te tasten.
Pouch-cell tests: indrukwekkende prestaties
De prestaties liegen er niet om. In praktijktests met pouch-cellen behielden de batterijen met de geprinte beschermlaag maar liefst 81,5% van hun capaciteit na 100 laad- en ontlaadcycli. Ook onder extreme omstandigheden bleven ze stabiel: bij een volledige ontlading in slechts negen minuten – een zware belasting – hielden de cellen nog 74,1% van hun oorspronkelijke capaciteit over. Ter vergelijking: conventionele lithium-metaalbatterijen verliezen onder zulke stress veel sneller hun efficiëntie of raken onbruikbaar door interne schade.
Daarbij werd een zogeheten Coulombic efficiency van 99,1% gehaald – een maat voor hoe effectief de batterij lading kan vasthouden en afgeven. Dit duidt op minimale energieverliezen en zeer stabiele elektrochemie.
Ook geschikt voor grootschalige productie
Een ander groot voordeel: de techniek is schaalbaar. In het lab is het team er al in geslaagd om de beschermlaag toe te passen op oppervlakken van 245 bij 50 millimeter – een formaat dat aansluit bij commerciële batterijproductie. Dat maakt de kans groot dat deze technologie daadwerkelijk de stap naar industriële toepassing kan maken, iets wat veelbelovende labvondsten meestal niet halen.
Volgens dr. Suk is het combineren van innovatieve beschermmaterialen met deze droge, schaalbare printmethode “een directe oplossing voor twee fundamentele beperkingen van lithium-metaalbatterijen: interfaciale instabiliteit en de risico’s van natte verwerking.”
Grotere impact: van EV tot netopslag
De toepassingen reiken verder dan alleen de auto-industrie. Omdat deze batterijtypes veel energie kunnen opslaan in relatief weinig volume, zijn ze ook uitermate geschikt voor gebruik in stationaire energieopslagsystemen (ESS), bijvoorbeeld om zonne- of windenergie tijdelijk op te slaan en op het juiste moment terug te leveren aan het net.
Bovendien biedt de verhoogde veiligheid een opening om ook in consumentenapparatuur of luchtvaarttoepassingen de overstap te maken naar lithium-metaal – mits de kosten in de toekomst dalen.
KRICT-president Young-Kuk Lee ziet in de technologie “een van de meest praktische oplossingen tot nu toe om lithium-metaalbatterijen met hoge energiedichtheid commercieel haalbaar te maken”. Hij benadrukt ook de economische relevantie: Zuid-Korea, als grote batterij-exporteur, kan hiermee zijn concurrentiepositie op de wereldmarkt versterken.
