Algemeen

Veilige lithium-ionen-batterij van keramiek

lithium-ionen-batterij
Kant en klare samengestelde vaste stof batterij. Het kathodemateriaal is lithium-kobalt-oxide, het Elektrolyt is gedeeltelijk gesubstitueerd lithium-lanthaan-zirkonaat, de anode lithium metaal (foto: Forschungszentrum Jülich).

Vaste stof lithium-ionen-batterijen worden de veilige batterijen van de toekomst. Het vervangen van het vloeibare elektrolyt door een vaste stof levert een hoge energiedichtheid op en vermindert de problemen van lekkage, oververhitting, in brand vliegen en giftigheid, waarmee de gebruikelijke lithium-ionen-batterij te maken heeft. Wetenschappers van het Forschungszentrum Jülich hebben een cel ontwikkeld die op laboratoriumschaal verbazingwekkend goed functioneert.

De vaste stof lithium-ionen-batterij werd in het laboratorium meer dan 350 maal ontladen en weer geladen. Het is de voorloper van een nieuwe generatie van lithium-ionen-accu’s waarin een vaste elektrolyt wordt gebruikt in plaats van brandbare en vaak giftige vloeistof.

Deze opbouw levert een aantal voordelen op. De cellen zullen bij ongevallen of fouten niet in brand vliegen en niet lekken. Ze zouden een langere levensduur hebben en zijn in ieder geval ongevoeliger voor temperatuur , aldus de onderzoekers in Jülich (vlak bij Aken).

Lithium-ionen-batterij

Lithium-ionen-batterijen zijn vooral eerste keus bij mobiel gebruik zoals draagbare elektrische apparaten en voertuigen. In eerste instantie is de hoge energiedichtheid de reden. Met een vaste stof lithium-ionen-batterij kan de energiedichtheid nog hoger worden, want de cellen kunnen op elkaar worden gestapeld.

Ten opzichte van de gebruikelijke accu’s met vloeibare elektrolyt hebben de onschadelijke en mechanisch ongevoelige vaste stof batterijen geen ruimte vragende koel- en beschermingsvoorzieningen nodig. Zelfs de onvermijdelijke stoten en trillingen bij gebruik in voertuigen doorstaan ze zonder dure steunconstructies zoals die voor conventionele vloeistof cel batterijen nodig zijn.

Speciaal keramiek als elektrolyt

Het is de taak van het elektrolyt om lithium-ionen tijdens het ontladen van de anode naar de kathode te leiden en tegelijkertijd de polen elektrisch te isoleren. In plaats van een vloeistof kan men ook een vaste stof deze functie laten overnemen. De daarvoor geschikte materialen hebben lege plaatsen in hun atomaire roosterstructuur. Lithium-ionen kunnen deze bezetten en zo van de ene naar de andere lege plaats springen en zo door de vaste stof bewegen.

Dit mechanisme verloopt echter veel langzamer dan de diffusie processen binnen een vloeibaar elektrolyt. Het verhoogt de weerstand voor het ionentransport, wat de bruikbare vermogensdichtheid van de batterij vermindert. Deze slechtere specifieke geleidbaarheid kan in principe worden gecompenseerd door het elektrolyt als dunne laag uit te voeren. Het doel van de onderzoekers is de dikte van de vaste stof elektrolyten terug te brengen naar enkele micrometers. De elektroden in conventionele cellen met vloeibare elektrolyt liggen ongeveer 30 µm uit elkaar.

Grensvlakken

Een grotere technische moeilijkheid zit in de vormgeving van de grensvlakken tussen de vaste elektroden en het eveneens vaste elektrolyt. Er lag daarom een belangrijke focus lag op de verbetering van de grensvlakken tussen het vaste elektrolyt en het elektrodemateriaal. Dit is een van de grootste uitdagingen bij de optimalisering voor praktische toepassingen zoals elektromobiliteit.

Een vloeibare elektrolyt zou door de fijne structuur van de elektroden als een spons ionen opnemen. Maar twee aan elkaar grenzende vaste stoffen kunnen niet even naadloos met elkaar worden verbonden. De weerstand tussen de elektroden en het elektrolyt wordt daardoor beduidend hoger. Door een juiste afstemming in het productieproces zijn de onderzoekers erin geslaagd om de totale inwendige weerstand van de cel te verminderen van 20 kOhm/cm2 tot 2 kOhm /cm2.

Het onderzoek gaat verder. Het doel is om door vermindering van de dikte van het elektrolyt dezelfde waarde als de huidige lithium-ion batterijen (50 Ohm/cm2) te halen, waarbij de energiedichtheid door de besparing op materiaal hoger zou kunnen uitvallen. Een mooi perspectief voor alle mobiele apparaten, waarvan de gebruiksduur belangrijk zal toenemen.

x
Mis niet langer het laatste nieuws

Schrijf u nu in voor onze nieuwsbrief.

Inschrijven