Een fundamentele misvatting in het ontwerp van moderne lithium-ionbatterijen blijkt verantwoordelijk voor snelle degradatie en kortere levensduur. Nieuw onderzoek laat zien hoe het anders (en beter) kan.
Lithium-ionbatterijen staan centraal in de energietransitie. Van elektrische auto’s tot netopslag: zonder veilige en duurzame accu’s stokt de elektrificatie. Toch kampen zelfs de nieuwste batterijontwerpen met capaciteitsverlies en, in extreme gevallen, brand. Onderzoekers van Argonne National Laboratory en de University of Chicago hebben nu een belangrijke oorzaak blootgelegd – én een route naar verbetering.
Volgens de studie, gepubliceerd in Nature Nanotechnology, ligt de kern van het probleem in een verkeerd begrepen degradatiemechanisme in zogenoemde single-crystal nikkelrijke kathodematerialen (SC-NMC), die juist waren bedoeld als opvolger van de kwetsbaardere polycrystalline varianten.
Van belofte naar probleemkind
Lithium-ionbatterijen met nikkelrijke kathodes (NMC: nikkel-mangaan-kobalt) zijn populair vanwege hun hoge energiedichtheid. Traditioneel bestaan deze kathodes uit veel kleine kristallen (polycrystalline NMC, of PC-NMC). Die blijken echter gevoelig voor microscheurtjes door herhaald uitzetten en krimpen tijdens laden en ontladen.
Om dat probleem te omzeilen, schakelde de industrie de afgelopen jaren over op single-crystal NMC: grotere, uniforme kristallen zonder interne korrelgrenzen. In theorie zouden die mechanisch stabieler moeten zijn. In de praktijk bleek de winst echter tegen te vallen.
“Men ging ervan uit dat dezelfde ontwerpregels gelden voor single-crystal materialen als voor polycrystalline, maar die aanname klopt niet,” zegt hoofdauteur Jing Wang.
Het probleem zit dieper dan gedacht
Het onderzoek laat zien dat SC-NMC op een fundamenteel andere manier faalt. Bij polycrystalline kathodes is volumeverandering (doorgaans zo’n 5 tot 10 procent) de belangrijkste boosdoener. Overschrijdt die de elastische grens, dan ontstaan scheuren langs korrelgrenzen, vergelijkbaar met asfalt dat barst na herhaald vriezen en dooien.
Bij single-crystal kathodes blijkt volumeverandering juist géén goede voorspeller voor mechanische stabiliteit. In plaats daarvan ontstaan spanningen door complexe, multidimensionale roostervervormingen op nanoschaal. Die worden veroorzaakt door ongelijkmatige reactiesnelheden binnen het kristal en het geleidelijk uitzetten van chemisch inactieve fases.
Het gevolg: lokale spanningsconcentraties die uiteindelijk toch tot scheurvorming leiden, maar wel via een totaal ander pad dan bij PC-NMC.
Een verrassende draai in batterijchemie
Een van de meest opvallende conclusies van de studie is dat de rol van batterijmaterialen opnieuw moet worden beoordeeld. In polycrystalline NMC wordt kobalt vaak gezien als noodzakelijk kwaad: duur, geopolitiek gevoelig en mechanisch ongunstig. Voor single-crystal NMC blijkt kobalt echter juist essentieel.
Kobalt helpt bij het dempen van lokale spanningen langs de langere diffusiepaden in single-crystal deeltjes, waardoor de levensduur aanzienlijk toeneemt. Mangaan, doorgaans toegevoegd voor structurele stabiliteit en kostenreductie, blijkt in SC-NMC juist de mechanische degradatie te versnellen.
“Dit werk dwingt ons om anders te kijken naar materiaalkeuzes,” zegt Argonne-onderzoeker Tongchao Liu. “De samenstelling bepaalt direct het degradatiepad.”
Kleine scheurtjes, grote gevolgen
Scheurvorming in kathodes is meer dan een academisch probleem. Zodra scheuren diep genoeg worden, kan elektrolyt binnendringen. Dat leidt tot ongewenste nevenreacties, zuurstofvrijgave en in het ergste geval thermische runaway – de nachtmerrie van elke batterijontwerper.
Maar ook zonder spectaculaire incidenten leidt dit mechanisme tot iets dat iedere EV-gebruiker herkent: actieradiusverlies. Batterijen leveren na verloop van tijd simpelweg minder energie.
Volgens Khalil Amine, vooraanstaand onderzoeker bij Argonne, is vertrouwen hierin cruciaal: “Als mensen batterijen niet als veilig en duurzaam ervaren, zullen ze ze niet willen gebruiken. Dat remt de elektrificatie.”
Nieuwe ontwerpregels
De implicatie van het onderzoek is duidelijk: single-crystal kathodes vragen om eigen ontwerpprincipes, zowel qua materiaalkeuze als qua chemische samenstelling. Simpelweg bestaande recepten kopiëren uit de polycrystalline wereld werkt niet.
Dat opent de deur naar een nieuwe generatie lithium-ionbatterijen met hogere energiedichtheid, langere levensduur en verbeterde veiligheid – precies wat nodig is voor elektrische mobiliteit en grootschalige energieopslag.
“Door beter te begrijpen hoe verschillende kathodematerialen degraderen, kunnen we een hele reeks hoogwaardige batterijmaterialen ontwerpen die passen bij de energiebehoeften van de toekomst,” concludeert Amine.
