Voor het eerst konden onderzoekers een batterij bevriezen terwijl die laadde — en zagen live hoe een cruciale corrosielaag ontstaat. Dit kan de weg vrijmaken voor krachtigere, stabielere lithium-metaalbatterijen.
Wetenschappers van UCLA hebben een revolutionaire beeldtechniek ontwikkeld die lithium-metaalbatterijen in ongekend detail kan vastleggen tijdens het laden. De techniek, genaamd electrified cryogenic electron microscopy (eCryoEM), biedt inzichten die de deur openen naar batterijen met een dubbele energiedichtheid én een langere levensduur.
Volgens de studie, gepubliceerd in Science Advances, biedt deze techniek niet alleen een veel gedetailleerder beeld van de interne processen in batterijen, maar zet ze ook de koers uit voor de volgende generatie energieopslag.
Batterij bevroren tijdens laden
Tot nu toe waren wetenschappers vooral aangewezen op post-mortem technieken – analyses nádat een batterij haar cyclus heeft voltooid. Wat er tijdens het laden écht gebeurt, bleef grotendeels een black box.
Met eCryoEM komt daar verandering in. Onderzoekers bevroren een batterij tijdens het laden door ze op precies het juiste moment in vloeibare stikstof te dompelen — een proces dat in milliseconden moet plaatsvinden om nevenreacties te voorkomen. Zo konden ze voor het eerst de vorming van de corrosielaag op het lithiumoppervlak in realtime vastleggen.
Hiervoor moest het team een ultradunne batterijcel ontwikkelen, zo klein en fragiel dat hij met een pincet moest worden gehanteerd.
Analyse onthult zwakke schakels
Door de cel op verschillende tijdstippen te bevriezen en daarna te analyseren, ontstaat een soort ‘flipbook’-animatie van de groei van de corrosielaag. Dit laagje, ook wel de solide-elektrolytinterfase (SEI) genoemd, is cruciaal voor de levensduur van de batterij. Aanvankelijk groeit deze laag snel, totdat hij dik genoeg is dat de elektronendiffusie door de film de snelheid beperkt.
En daar zat de verrassing: bij een hoogwaardige elektrolyt groeide de laag tijdens de snelle beginfase drie keer zo langzaam als bij een standaard elektrolyt. In de latere fase was het verschil slechts 10%. Dit wijst erop dat vooral de reactiviteit van de vloeibare elektrolyt bepalend is voor de corrosievorming – en dus de levensduur van de batterij.
Capaciteitsverdubbeling
Lithium-metaalbatterijen zijn de gedroomde opvolgers van de huidige lithium-iontechnologie. Ze hebben het potentieel om de energiedichtheid te verdubbelen – denk aan elektrische auto’s die twee keer zo ver rijden zonder groter of zwaarder te worden. Alleen: hun levensduur is nog een struikelblok.
Daarom is het inzicht in corrosievorming cruciaal. Veel onderzoek focuste tot nu toe op de eigenschappen van de corrosielaag zelf. Maar deze studie toont aan dat we vooral de elektrolyt – de vloeistof die ionen transporteert – onder handen moeten nemen. Hoe minder reactief, hoe beter.
Ook toepassingen buiten de batterijwereld
De cryo-elektronenmicroscopie werd oorspronkelijk ontwikkeld voor de biologie – denk aan het in beeld brengen van eiwitstructuren of virussen zoals SARS-CoV-2. Dat dezelfde tools nu fysisch-chemische processen op nanoschaal kunnen vastleggen, opent nieuwe deuren.
Toepassingen zijn denkbaar in elektrochemie, materiaalkunde en zelfs bij het ontwikkelen van nieuwe katalysatoren of halfgeleiders.
Bruikbare lithium-metaalbatterijen weer een stap dichterbij
Met deze nieuwe inzichten kunnen batterijontwikkelaars gerichter werken aan lithium-metaalbatterijen die niet alleen krachtiger, maar ook stabieler zijn. De sleutel? Minder reactieve elektrolyten die de snelle groei van de corrosielaag in de kiem smoren.
Als deze obstakels overwonnen worden, kunnen lithium-metaalbatterijen de energietransitie een flinke duw in de rug geven – van elektrische mobiliteit tot duurzame netopslag. En dankzij eCryoEM zien we nu eindelijk waar we heen moeten.
