Verbetering van de veiligheid en efficiëntie van batterijen voor elektrische voertuigen

De drijvende kracht van de grensvlakreactie en de capillaire kracht vergemakkelijken de tijdelijke infiltratie van gesmolten Li in een 3D-host voor een stabiele 3D-composiet lithiumanode. Credit: Nano-onderzoek (2022). DOI: 10.1007/s12274-022-4981-3

Naarmate elektrische voertuigen en persoonlijke draagbare elektronica alomtegenwoordig worden, proberen onderzoekers enkele van de belangrijkste beperkingen van de huidige lithium-ionbatterijtechnologie op te lossen, die een grafietanode en een op lithium gebaseerde overgangsmetaaloxide-kathode gebruikt. Daarentegen kunnen lithium-metaalbatterijen, die naast een lithiumkathode ook een lithiumanode gebruiken, het potentieel hebben om sommige van deze problemen op te lossen, door energierijke, duurzame en veiligere alternatieven voor lithium-ionbatterijen te creëren.

Voor een wijdverbreide acceptatie van lithium-metaalbatterijen moeten twee belangrijke uitdagingen worden opgelost. De eerste is dat deze batterijen de neiging hebben om ophopingen van lithiumdendrieten te vormen, dit zijn metaalafzettingen. De tweede is dat deze batterijen grote variaties in het elektrodevolume hebben. Beide problemen leiden tot een afname van de prestaties en veiligheidsrisico’s.

In een paper gepubliceerd in Nano-onderzoek op 11 oktober beschrijven onderzoekers een techniek voor het ontwikkelen van een driedimensionale composiet lithiumanode met behulp van thermische infusie, die met succes lithiumafzetting en energieverlies tijdens laadcycli aanpakt.

“Lithiummetaalbatterijen komen naar voren als de veelbelovende elektrochemische opslagapparaten voor elektrische voertuigen vanwege hun hoge energiedichtheid, maar deze problemen met betrekking tot de groei van lithiumdendrieten en grote elektrodevolumevariaties van lithiumanode beperken hun praktische toepassing”, zei onderzoeker Feifei Cao van de Huazhong Agricultural University in Wuhan, China. “Het is zeer wenselijk om geschikte manieren te onderzoeken om de problemen van lithiumanoden aan te pakken, zodat deze batterijen een meer praktische optie kunnen worden.”

Om tot een lithium-metaalbatterij te komen die deze uitdagingen aangaat, hebben onderzoekers een 3D-steiger gemaakt en daarop gesmolten lithium gegoten. De sleutel tot het waarborgen van de veiligheid van deze techniek is het gebruik van een laag nanosheets gemaakt van een magnesium-aluminium dubbeloxide. Dit materiaal wordt beschreven als lithiofiel, wat betekent dat het lithium aantrekt om een ​​legeringsmedium te genereren.

Het gesmolten lithium wordt naar de nanosheets getrokken en door capillaire werking door de 3D-steiger gebracht. Deze capillaire kracht is buitengewoon belangrijk, legt Cao uit, omdat het de tijdelijke infiltratie van gesmolten lithium in de 3D-host vergemakkelijkt, waardoor een stabiele 3D-composiet lithiumanode ontstaat.

Onderzoekers voerden rigoureuze tests uit op de batterijen die met de nieuwe techniek waren ontwikkeld. In vergelijking met bestaande technologie vormden de batterijen buisvormige dendrieten, maar vertoonden slechts een kleine fluctuatie van de dikte van 3%. Ter vergelijking: zonder de nieuwe technologie groeide de grote elektrode met 22%.

Onderzoekers testten ook de coulombefficiëntie of stroomefficiëntie van de batterij, die de capaciteit en het energieverlies van de batterij meet. Na 100 oplaadcycli bleef de efficiëntie van de batterij op 98,6%. Ter vergelijking: de reguliere lithium-metaalbatterijen zagen een aanzienlijk energieverlies na slechts 23 oplaadcycli.

Vooruitkijkend zijn onderzoekers van plan om lithium-metaalbatterijen te blijven verbeteren, zodat deze technologie op grotere schaal kan worden toegepast. “Voor de volgende stap zullen we de zware matrix vervangen door een lichtgewicht matrix om een ​​hoge gewichtsverhouding van actief lithium te verkrijgen om de energiedichtheid van de batterij te verbeteren”, aldus Cao. “We verwachten een composiet lithiumanode met hoge veiligheid te maken die competitief is voor cellen met een hoge gravimetrische energiedichtheid met meer dan 500 Wh kg^-1.”