De reden waarom veel batterijen voortijdig slijten blijkt dieper te liggen dan gedacht. Dankzij dit inzicht zijn langere levensduur en hogere capaciteit eindelijk binnen bereik.
In een verrassende ontdekking tonen wetenschappers van Rice University aan dat de interne chemie, en niet de fysieke structuur, bepaalt hoe goed een batterij presteert en hoe lang die meegaat. Deze nieuwe kennis helpt bij de ontwikkeling van betere en duurzamere accu’s voor smartphones, elektrische auto’s en netopslag.
Volgens de studie, gepubliceerd in Advanced Materials, is de oorzaak van vroegtijdige slijtage en inefficiëntie in zogeheten “dikke elektrodes” terug te voeren op een scheve verdeling van chemische reacties tijdens het laden en ontladen. Dat zorgt voor zogeheten “hot spots” aan het oppervlak, terwijl het binnenste van de elektrode amper gebruikt wordt.
Energiecapaciteit vergroten? Dan faalt de batterij vaak sneller
Dikke elektrodes (elektrodes met een grotere massa actieve materialen) – zijn essentieel om de energiedichtheid van lithium-ionbatterijen te vergroten en de productiekosten te verlagen. In theorie kunnen ze meer energie opslaan in een kleiner volume. Maar in de praktijk blijkt hun levensduur vaak korter en het laad- en ontlaadproces inefficiënt.
“Dikke elektrodes zijn veelbelovend, maar hun prestaties worden beperkt door reactieverdeling die allesbehalve uniform is,” aldus de onderzoekers. In plaats van zich gelijkmatig te verspreiden, beperkt de reactie zich tot het oppervlak bij de separator. De dieper gelegen gebieden blijven bijna onbenut.
Oorzaak ligt niet in het ontwerp
Wat deze studie uniek maakt, is dat de reactieonbalans niet door de elektrode-structuur komt. De oorzaak ligt in de thermodynamische eigenschappen van het materiaal zelf. Met andere woorden: de chemische aard van het materiaal bepaalt hoe goed energie zich verspreidt tijdens gebruik.
Door twee populaire batterijmaterialen met elkaar te vergelijken – lithiumijzerfosfaat (LFP) en een nikkel-mangaan-kobalt-oxide (NMC) – toonden ze aan dat LFP sterk geconcentreerde reactiezones (“hot spots”) ontwikkelt, terwijl NMC een veel gelijkmatigere reactieverteling liet zien. Dit laatste leidt tot minder interne spanningen, minder schade en een langere levensduur.
“Het is alsof je een dikke spons probeert te vullen met water, maar het water komt maar tot een paar centimeter diep,” zegt eerste auteur Zeyuan Li. “De rest van de spons blijft droog – en dus ongebruikt.”
Bevindingen toepasbaar voor ingenieurs
Om hun bevindingen ook toepasbaar te maken voor ingenieurs, ontwikkelde het team een nieuwe ontwerpmaat: de reaction uniformity number. Dit getal maakt het mogelijk om vooraf in te schatten hoe goed een materiaal zal presteren in een dikke elektrode, op basis van zowel de chemie als de structuur.
Volgens hoofdauteur Ming Tang biedt deze ontdekking nieuwe richtlijnen voor het selecteren van de juiste combinatie van materiaal, geometrie en microstructuur in batterijontwerp. En dat is hard nodig, want de industrie balanceert op de rand van wat huidige technologie aankan – zeker nu de energievraag explosief blijft stijgen.
Grote implicaties voor toekomstige batterijen
Tot nu toe richtte batterijontwikkeling zich sterk op fysiek ontwerp en materiaaldikte om prestaties op te krikken. Deze studie laat zien dat je eerst moet begrijpen hoe het materiaal intern reageert voordat je kunt opschalen. Dat opent de deur naar materialen die eerder als inferieur werden beschouwd, mits hun chemie de juiste reactieverdeling ondersteunt.
Voor de auto-industrie en fabrikanten van mobiele apparaten betekent dit mogelijk batterijen die niet alleen krachtiger zijn, maar ook langer meegaan – met minder risico op plotselinge degradatie. Ook in netgekoppelde opslagsystemen, waar levensduur en betrouwbaarheid cruciaal zijn, kan deze ontdekking het verschil maken.
Tijd om chemische eigenschappen ook serieus te nemen
De studie van Rice University daagt gevestigde aannames uit en biedt een krachtige nieuwe lens om batterijprestaties te evalueren. In plaats van enkel te focussen op ontwerp en structuur, moeten ingenieurs nu ook de onderliggende chemische eigenschappen serieus nemen. Want uiteindelijk, zo blijkt, bepaalt de chemie of een batterij haar belofte waarmaakt – of voortijdig de geest geeft.
