Nieuwe coating brengt lithium-metaalbatterij dichterbij. Een onderzoeksteam heeft een nieuwe coating gevonden uit die eindelijke lichtgewicht lithium-metaalbatterijen, veilig en duurzaam zou kunnen maken. Mogelijk is dit een grote stap voorwaarts en het biedt mogelijkheden voor de volgende generatie elektrische voertuigen.

De hoop is hersteld voor de oplaadbare lithium-metaalbatterij – een potentiële batterij-powerhouse die tientallen jaren naar het laboratorium is verbannen door zijn korte levensverwachting en af ​​en toe vurig overlijden. Dit terwijl zijn oplaadbare broertje, de lithium-ion batterij, nu meer dan € 25 miljard per jaar omzet.

Een nieuwe coating kan lichtgewicht lithium-metaalbatterijen veilig en duurzaam maken, een zegen voor de ontwikkeling van de volgende generatie elektrische voertuigen.

Een team van onderzoekers van Stanford University en SLAC National Accelerator Laboratory heeft een coating bedacht die enkele defecten van de batterij verhelpt. Dit wordt beschreven in een artikel gepubliceerd op 26 augustus in Joule.

Bij laboratoriumtests verlengde de coating de levensduur van de batterij aanzienlijk. Het ging ook over het verbrandingsprobleem door de kleine naaldachtige structuren – of dendrieten – die de scheiding tussen de positieve en negatieve kanten van de batterij doorboren, aanzienlijk te beperken. Naast het verpesten van de batterij, kunnen dendrieten een kortsluiting veroorzaken in de brandbare vloeistof van de batterij. Lithium-ion batterijen hebben af ​​en toe hetzelfde probleem, maar dendrieten zijn tot op heden geen starter geweest voor oplaadbare lithium-metaalbatterijen.

“We richten ons op de heilige graal van lithium-metaalbatterijen,” zei Zhenan Bao, een professor in chemische technologie, die senior auteur van het onderzoek is. Bao voegde eraan toe dat dendrieten hadden voorkomen dat lithium-metaalbatterijen werden gebruikt in wat de volgende generatie elektrische voertuigen zou kunnen zijn.

De belofte

Lithium-metaalbatterijen kunnen minstens een derde meer vermogen per pond leveren ten opzichte van lithium-ionbatterijen en zijn aanzienlijk lichter omdat ze lichtgewicht lithium gebruiken voor het positief geladen uiteinde in plaats van zwaarder grafiet. Als ze betrouwbaarder waren, zouden deze batterijen grote voordelen kunnen bieden voor draagbare elektronica. Denk hierbij aan notebooks, mobiele telefoons en elektrische fietsen.  Het grootste voordeel zou echter gemaakt kunnen worden voor auto’s. De grootste belemmering voor elektrische voertuigen is dat hun batterijen ongeveer een vierde van hun energie besteden om zichzelf rond te dragen. Dat raakt de kern van het EV-bereik en de kosten.

“De capaciteit van conventionele lithium-ion batterijen is bijna zo ver ontwikkeld als mogelijk is”, zegt Stanford-promovendus David Mackanic, co-hoofdauteur van de studie. “Het is dus van cruciaal belang om nieuwe soorten batterijen te ontwikkelen om te voldoen aan de agressieve energiedichtheidseisen van moderne elektronische apparaten.”

Het team van Stanford en SLAC testten hun coating op het positief geladen uiteinde – de anode genoemd – van een standaard lithium-metaal batterij, waar zich meestal dendrieten vormen. Uiteindelijk combineerden ze hun speciaal gecoate anoden met andere in de handel verkrijgbare componenten om een ​​volledig operationele batterij te creëren. Na 160 cycli leverden hun lithiummetaalcellen nog steeds 85 procent van het vermogen dat ze in hun eerste cyclus deden. Normale lithiummetaalcellen leveren na die vele cycli ongeveer 30 procent af, waardoor ze bijna nutteloos worden, zelfs als ze niet ontploffen.

De nieuwe coating voorkomt dat dendrieten worden gevormd door een netwerk van moleculen te creëren die gelijkmatig geladen lithiumionen aan de elektrode afleveren. Het voorkomt ongewenste chemische reacties die typisch zijn voor deze batterijen en vermindert ook een chemische opbouw op de anode, die het vermogen van de batterij om vermogen te leveren snel verwoest.

“Ons nieuwe coatingontwerp maakt lithium-metaalbatterijen stabiel en veelbelovend voor verdere ontwikkeling,” zei de andere co-lead auteur, Stanford PhD-student Zhiao Yu.

De groep verfijnt nu hun coatingontwerp om capaciteitsretentie te vergroten en cellen gedurende meer cycli te testen.

“Hoewel gebruik in elektrische voertuigen het ultieme doel kan zijn,” zei Cui, “zou commercialisering waarschijnlijk beginnen met consumentenelektronica om eerst de veiligheid van de batterij aan te tonen.” En zo is de eerste stap gezet: een nieuwe coating brengt lithium-metaalbatterij dichterbij.

Bron: ScienceDaily.com