Zuid-Koreaanse onderzoekers ontwikkelen anodevrije vastestofbatterij van slechts 2,77 micrometer dik
Onderzoekers van de Dongguk-universiteit in Zuid-Korea hebben een prototype van een anodevrije vastestofbatterij ontwikkeld met een energiedichtheid van 235 Wh/l na 100 laadcycli. De batterij is slechts 2,77 micrometer dik en gebruikt een nieuwe tussenlaag van tin en koolstof die lithiumverlies helpt beperken en de betrouwbaarheid verbetert. Het is nog geen doorbraak voor accu's van elektrische auto's, maar de aanpak kan helpen een van de grootste technische zwakke punten van vastestofbatterijen aan te pakken.
De batterij vormt haar anode tijdens het laden
Het onderzoek, gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Advanced Energy Materials onder de titel ‘Pushing Energy Density Limits: Anode-Less Solid-State Battery Integrated With Amorphous Lithium Vanadium Oxide Thin-Film Cathode’, richt zich op het beheersen van de lithiumafzetting in vastestofbatterijen. In een conventionele lithium-ionbatterij zijn de anode en kathode afzonderlijke elektroden en bewegen lithiumionen tijdens het laden tussen beide. Het nieuwe ontwerp heeft bij de productie geen conventionele anodelaag. Tijdens de eerste laadbeurt verplaatst lithium zich van de kathode naar de stroomcollector, waarop zich een laag metallisch lithium vormt.
Deze aanpak maakt het mogelijk de batterij kleiner te maken en meer energie per volume-eenheid op te slaan. Het probleem is echter dat lithium zich ongelijkmatig kan afzetten, wat capaciteitsverlies en interne kortsluiting kan veroorzaken.
Tin en koolstof verbeteren de stabiliteit van de batterij
Voor hun oplossing gebruiken de onderzoekers een koperen stroomcollector waarop ze een ultradunne tussenlaag van tin en koolstof hebben aangebracht.
Tin helpt de afzetting van lithium op gang te brengen, terwijl koolstof het lithium gelijkmatiger helpt verdelen. Dit verkleint het risico dat tijdens het laden onregelmatige lithiumstructuren ontstaan of dat lithium elektrisch geïsoleerd raakt en niet meer bijdraagt aan de energieopslag. De onderzoekers pasten ook prelithiatie toe: ze voegden een kleine lithiumreserve aan het systeem toe om onomkeerbare verliezen tijdens de eerste gebruikscycli te compenseren.
Het prototype combineert een kathode van lithiumvanadiumoxide met een vast elektrolyt van het LiPON-type. De kathode is ongeveer 2 micrometer dik; de volledige batterijcel meet 2,77 micrometer in dikte.
Na 100 laad- en ontlaadcycli bereikte de cel een volumetrische energiedichtheid van 235,13 Wh/l. De tests werden uitgevoerd met een zeer lage stroomsterkte, bij een laadsnelheid van 0,01 C.
De energiedichtheid is nog niet voldoende voor elektrische auto's
Hoewel het resultaat een nieuwe aanpak voor de ontwikkeling van vastestofbatterijen laat zien, is 235 Wh/l naar de maatstaven van de huidige elektrische auto's geen uitzonderlijke waarde.
Moderne lithium-ionbatterijen kunnen op celniveau een energiedichtheid van enkele honderden Wh/l bereiken. Het prototype van Dongguk kan daarom niet worden beschouwd als een directe concurrent van de batterijen voor elektrische auto's die Toyota, CATL en andere grote batterijfabrikanten ontwikkelen.
Het onderliggende ontwerpprincipe is belangrijker. Een anodevrije opbouw zou in de toekomst het materiaalgebruik kunnen verminderen en compactere batterijcellen mogelijk kunnen maken.
Bij het huidige prototype blijven echter vragen bestaan over de duurzaamheid op lange termijn, laden met hoge stroomsterktes, productiekosten en het geschikt maken van de technologie voor grootschalige batterijproductie.
De nieuwe aanpak zou vooral geschikt kunnen zijn voor draagbare elektronica, medische apparatuur en kleine sensoren, waarbij de afmetingen van de batterij vaak belangrijker zijn dan de energiedichtheid.
Een belangrijke onderzoeksrichting voor de Europese batterijsector
Europese batterijfabrikanten en autoconcerns investeren in vastestofbatterijen in de hoop de actieradius te vergroten, de veiligheid te verbeteren en minder afhankelijk te worden van conventionele lithium-ionbatterijen.
Het werk van de Dongguk-universiteit laat niettemin zien dat het succes van vastestofbatterijen niet alleen afhangt van nieuwe elektrolyten. Het beheersen van processen aan de elektrodegrensvlakken is minstens zo belangrijk.
De werkelijke waarde van het onderzoek ligt niet in de energiedichtheid van 235 Wh/l, maar in de mogelijkheid om een anodevrije batterij stabieler te maken. Als onderzoekers hetzelfde principe kunnen toepassen op grotere cellen en bij hogere laadstromen, kan het bijdragen aan de ontwikkeling van een volgende generatie batterijen.
Voorlopig bevindt de technologie zich nog in het laboratorium. Er is nog veel verdere ontwikkeling nodig voordat ze in elektrische auto's kan worden toegepast.
