Onderzoekers van de Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) hebben een revolutionaire laser-gebaseerde printtechniek ontwikkeld die de productie van lithium-zwavelbatterijen drastisch kan versnellen en vereenvoudigen.
aar tot nu toe meerdere ingewikkelde en tijdrovende stappen nodig waren om een werkende kathode te maken, lukt dit dankzij het nieuwe proces nu in één enkele stap – binnen nanoseconden.
De innovatieve methode, geleid door dr. Mitch Li Guijun, maakt gebruik van een razendsnelle laser-geïnduceerde conversietechniek die niet alleen tijd, maar ook energie en kosten bespaart. Het resultaat? Batterijen met een veel hogere energiedichtheid, een duurzamer productieproces én een haalbare schaalvergroting voor industrieel gebruik.
Volgens het onderzoek, gepubliceerd in Nature Communications, luidt deze ontdekking mogelijk een nieuw tijdperk in voor de grootschalige fabricage van elektrochemische energieopslag.
Waarom lithium-zwavel?
De keuze voor lithium-zwavelbatterijen is niet toevallig. Deze technologie geldt als de logische opvolger van de huidige lithium-ionbatterijen, dankzij een theoretische energiedichtheid van maar liefst 2.600 Wh/kg – dat is vijf keer hoger dan wat conventionele lithium-ionbatterijen kunnen leveren. Bovendien is zwavel goedkoop, overvloedig beschikbaar en milieuvriendelijker dan zeldzame metalen zoals kobalt of nikkel.
Toch was de overstap naar lithium-zwavelbatterijen tot nu toe lastig, vooral vanwege het complexe productieproces van de zwavelkathodes. Hiervoor zijn normaliter verschillende stappen nodig, elk onder verschillende omstandigheden en temperaturen: het synthetiseren van actieve materialen, het produceren van de hostmaterialen (zoals halloysiet-nanobuizen), het toevoegen van geleidende stoffen, en ten slotte de assemblage.
Laser als gamechanger
De nieuwe lasertechniek van het HKUST-team doorbreekt dit proces. Met één geconcentreerde laserpuls worden de benodigde materialen – actieve zwaveldeeltjes, geleidende koolstof en hostmateriaal – gelijktijdig gevormd en direct op een koolstofsubstraat geprint. De technologie werkt op basis van micro-explosies die ontstaan door extreme, kortdurende verhitting tot duizenden graden Kelvin, gevolgd door snelle afkoeling.
Deze thermische microchaos zorgt ervoor dat de basismaterialen letterlijk uit elkaar spatten en zich hercombineren tot precies de juiste samenstelling voor een werkende kathode. “Het is alsof we de natuur even versnellen,” stelt dr. Yang Rongliang, eerste auteur van het onderzoek en voormalig postdoc aan HKUST.
Het is alsof we de natuur even versnellen
dr. Yang Rongliang
Printen met 2 cm² per minuut
De impact van deze methode is niet louter theoretisch. Met een enkel laserstraal slaagde het team erin een zwavelkathode van 75 bij 45 millimeter te printen in slechts 20 minuten. Deze werd vervolgens ingezet in een pouch-type lithium-zwavelbatterij, die moeiteloos een klein scherm meerdere uren van stroom voorzag. Daarmee is niet alleen de technische haalbaarheid, maar ook de praktische toepasbaarheid bewezen.
“Dit is niet zomaar een optimalisatie,” aldus Li. “We hebben het hele fabricageproces opnieuw uitgevonden.” De techniek kan batterijen produceren met een snelheid van zo’n 2 cm² per minuut – wat zich makkelijk laat opschalen met meerdere laserbundels in parallel.
Energietransitie op volle snelheid
Met deze doorbraak komt de massaproductie van betaalbare, duurzame en krachtige batterijen een flinke stap dichterbij. Voor toepassingen in elektrische voertuigen, netstabilisatie en draagbare elektronica opent dit nieuwe deuren. De lasertechnologie zou bovendien toepasbaar kunnen zijn op andere batterijtypes of zelfs andere functionele materialen – een potentieel dat nu pas wordt verkend.
Hoewel verdere opschaling en commercialisering nog in de kinderschoenen staat, is het duidelijk dat de laser niet langer alleen thuishoort in de industrie of chirurgie, maar ook een hoofdrol gaat spelen in de energietransitie.
Batterijproductie slechts een kwestie van seconden
Wat het team van HKUST laat zien, is niet alleen een wetenschappelijke prestatie, maar een knap staaltje technologische integratie.
Door complexe processen te reduceren tot één gecontroleerde laserpuls, wordt batterijproductie ineens een kwestie van seconden in plaats van dagen. Als deze technologie zijn weg vindt naar de industrie, zou het wel eens de turbo kunnen zijn die de wereldwijde energietransitie nodig heeft.
