Halfgeleidertechnologie vermindert brandrisico in accu’s van elektrische voertuigen

Ondanks de snelle ontwikkeling van elektrische voertuigen (EV’s), vormen lithium-ion (Li-ion) batterijen een brand- en explosiegevaar. Onder de benaderingen om dit probleem aan te pakken, hebben Koreaanse onderzoekers halfgeleidertechnologie gebruikt om hun veiligheid te verbeteren. Een onderzoeksteam van het Korea Institute of Science and Technology (KIST) onder leiding van Dr. Joong Kee Lee van het Center for Energy Storage Research is erin geslaagd de groei van dendrieten, kristallen met meerdere vertakkingen die EV-batterijbranden veroorzaken, te remmen door beschermende halfgeleiders te vormen passiveringslagen op het oppervlak van Li-elektroden.

Wanneer Li-ionbatterijen worden opgeladen, worden Li-ionen naar de anode (de negatieve elektrode) getransporteerd en als Li-metaal op het oppervlak afgezet; op dit punt vormen zich boomachtige dendrieten. Deze Li-dendrieten zijn verantwoordelijk voor de oncontroleerbare volumetrische fluctuaties en leiden tot reacties tussen de vaste elektrode en de vloeibare elektrolyt, waardoor brand ontstaat. Het is niet verwonderlijk dat dit de batterijprestaties ernstig verslechtert.

Om dendrietvorming te voorkomen, stelde het onderzoeksteam plasma bloot aan fullereen (C60), een sterk elektronisch geleidend halfgeleidermateriaal, wat resulteerde in de vorming van koolstofhoudende halfgeleidende passiveringslagen tussen de Li-elektrode en de elektrolyt. De koolstofhoudende halfgeleidende passiveringslagen laten Li-ionen door terwijl ze elektronen blokkeren als gevolg van de vorming van Schottky-barrière, en door te voorkomen dat elektronen en ionen op het elektrode-oppervlak en binnenin interageren, stoppen ze de vorming van Li-kristallen en de daaruit voortvloeiende groei van dendrieten .

De stabiliteit van de elektroden met de halfgeleidende passivering koolstofhoudende lagen werd getest met behulp van Li/Li symmetrische cellen in extreme elektrochemische omgevingen waar typische Li-elektroden stabiel blijven tot 20 laad-/ontlaadcycli. De nieuw ontwikkelde elektroden vertoonden een aanzienlijk verbeterde stabiliteit, waarbij de groei van Li-dendriet tot 1200 cycli werd onderdrukt. Bovendien kan het gebruik van een lithiumkobaltoxide (LiCoO₂) kathode naast de ontwikkelde elektrode, bleef ongeveer 81% van de initiële batterijcapaciteit behouden na 500 cycli, wat een verbetering van ongeveer 60% vertegenwoordigt ten opzichte van conventionele Li-elektroden.

Hoofdonderzoeker Dr. Joong Kee Lee zei: “De effectieve onderdrukking van dendrietgroei op Li-elektroden is essentieel voor het verbeteren van de batterijveiligheid. De technologie voor het ontwikkelen van zeer veilige Li-metaalelektroden die in dit onderzoek wordt voorgesteld, biedt een blauwdruk voor de ontwikkeling van de volgende generatie batterijen die geen brandgevaar opleveren.” Dr. Lee zegt dat het volgende doel van zijn team het verbeteren van de commerciële levensvatbaarheid van deze technologie is: “We streven ernaar de fabricage van de koolstofhoudende halfgeleidende passiveringslagen kosteneffectiever te maken door fullereen te vervangen door goedkopere materialen.”