Een revolutionaire anode-vrije lithium-metaalbatterij verpulvert records en belooft lichtere, krachtigere en efficiëntere EV’s.
Een team van Zuid-Koreaanse onderzoekers heeft een belangrijke stap gezet die de toekomst van elektrische voertuigen (EV’s) drastisch kan veranderen. Volgens de studie, gepubliceerd in Advanced Materials, hebben wetenschappers van POSTECH, KAIST en Gyeongsang National University een anode-vrije lithium-metaalbatterij ontwikkeld die bijna twee keer zoveel energie kan opslaan als huidige lithium-ion batterijen, zonder dat de batterij groter wordt.
Energie verdubbelen zonder grotere batterij
De onderzoekers, onder leiding van professoren Soojin Park en Dong-Yeob Han, bereikten een volumetrische energiedichtheid van 1.270 Wh/L. Ter vergelijking: de lithium-ion batterijen die tegenwoordig in EV’s worden gebruikt halen ongeveer 650 Wh/L. Volumetrische energiedichtheid is cruciaal in voertuigen, omdat het bepaalt hoeveel energie er in een beperkte ruimte kan worden opgeslagen.
Het geheim van deze doorbraak is de anode-vrije architectuur. In plaats van een traditionele grafietanode, migreren lithiumionen tijdens het opladen direct van de kathode naar een koperen stroomcollector. Door de anode te verwijderen, komt er meer ruimte vrij voor actieve materialen – vergelijkbaar met het passen van meer brandstof in eenzelfde tank zonder die te vergroten.
Een uitdaging van formaat
Hoewel dit concept veelbelovend is, stuit anode-vrije lithium-metaalbatterijen al jaren op grote technische uitdagingen. Een van de grootste problemen is ongelijke lithiumafzetting tijdens het opladen. Dit kan leiden tot dendrieten: scherpe, naaldachtige structuren die interne scheiders doorboren en kortsluiting veroorzaken.
Daarnaast degradeert het lithiumoppervlak bij herhaald laden en ontladen, waardoor de batterijcapaciteit snel daalt. Deze problemen maakten het moeilijk om een batterij te maken die tegelijk hoge energiedichtheid, lange levensduur en veiligheid biedt.
Problemen nu opgelost
Het Zuid-Koreaanse team ontwikkelde een tweeledige aanpak om deze problemen te tackelen: een Reversible Host (RH) en een Designed Electrolyte (DEL). De RH is een polymeerstructuur met gelijkmatig verdeelde zilver-nanodeeltjes, die lithium naar specifieke plekken leiden zodat het gelijkmatig wordt afgezet.
De DEL vormt een stabiele oppervlaktelaag van Li₂O en Li₃N op het lithiummetaal, die dendrietvorming onderdrukt maar de ionenmobiliteit behoudt. Samen zorgen deze componenten voor stabiele lithiumafzetting en beschermen ze de batterij tegen snelle degradatie.
Recordprestaties onder realistische omstandigheden
Met deze technologie behaalde de batterij indrukwekkende resultaten: bij een hoge areale capaciteit van 4,6 mAh cm⁻² en een stroomdichtheid van 2,3 mA cm⁻² behield de cel na 100 cycli nog 81,9 procent van zijn oorspronkelijke capaciteit, met een gemiddelde Coulomb-efficiëntie van 99,6 procent.
Belangrijk is dat het team de technologie testte in pouch-cellen, die dichter bij commerciële EV-batterijen liggen. De stabiele werking werd bereikt zelfs bij een lage elektrolytinhoud en lage stapeldruk, wat wijst op lichtere batterijen, eenvoudiger productie en betere commerciële toepasbaarheid.
Professor Park benadrukt: “Dit werk is een betekenisvolle doorbraak, omdat het efficiëntie- en levensduurproblemen in anode-vrije lithium-metaalbatterijen tegelijk aanpakt.” Een collega-onderzoeker voegt toe: “Onze studie laat zien dat elektrolyten gebaseerd op commercieel beschikbare oplosmiddelen zowel hoge lithium-ion mobiliteit als interface-stabiliteit kunnen bieden.”
Gamechanger in de maak?
Deze doorbraak kan een gamechanger worden voor elektrische voertuigen. Batterijen die bijna twee keer zoveel energie bevatten zonder groter te zijn, betekenen dat EV’s verder kunnen rijden op één lading, terwijl ze tegelijkertijd minder gevoelig zijn voor koude weersomstandigheden.
Hoewel er nog stappen nodig zijn voordat deze technologie in serieproductie kan, wijst de studie op een veelbelovende route naar lichtere, krachtigere en veiligere EV-batterijen. Voor de autobranche en consumenten kan dit uiteindelijk betekenen: minder laadstops, langere actieradius en een grote sprong vooruit in batterijtechnologie.
