Onderzoekers van de Universiteit van Maryland hebben een eenvoudige methode ontdekt om de levensduur van lithium-ionbatterijen aanzienlijk te verlengen, een kerntechnologie die alles aandrijft, van smartphones tot elektrische voertuigen. De sleutel is een subtiele chemische aanpassing die de vorming van een beschermende laag op de kathode van de batterij bevordert – iets dat voorheen als extreem moeilijk werd beschouwd.
Het probleem met lithium-ionbatterijen
Lithium-ionbatterijen gaan na verloop van tijd achteruit als gevolg van chemische afbraak in de elektrolyt, de vloeistof die ervoor zorgt dat ionen tussen de elektroden kunnen bewegen. Momenteel vormt zich op natuurlijke wijze een beschermende laag op de negatieve anode, waardoor deze wordt gestabiliseerd. Maar de positieve kathode, die onder meer reactieve omstandigheden werkt, ondergaat traditioneel een snellere degradatie omdat de elektrolyt afbreekt voordat zich een stabiele beschermende coating kan vormen. Dit beperkt de levensduur en prestaties van de batterij.
De oplossing: begeleide afbraak van elektrolyten
Het team, onder leiding van Chunsheng Wang, gebruikte een reactie uit de organische chemie om de afbraak van de elektrolyt te ‘begeleiden’. In plaats van willekeurige afbraak, wordt de veranderde elektrolyt op een gecontroleerde manier afgebroken, waardoor een stabiele beschermende laag op de kathode ontstaat. Deze laag beschermt de kathode tegen verdere afbraak, waardoor de levensduur dramatisch wordt verlengd.
“Door op moleculair niveau te bepalen hoe de elektrolyt afbreekt, konden we nauwkeurig de beschermende laag controleren die zich op de kathode vormt”, legt Xiyue Zhang uit, een postdoctoraal onderzoeker bij het project.
Afstembare prestaties: kracht versus levensduur
Cruciaal is dat deze aanpak geen one-size-fits-all oplossing is. De resulterende laag kan worden afgestemd. Een dikkere laag betekent een betere bescherming en een langere levensduur, ideaal voor toepassingen waarbij stabiliteit voorop staat. Een dunnere laag zorgt voor snellere elektrochemische reacties, waardoor het vermogen en de energieopbrengst worden gemaximaliseerd. Deze flexibiliteit betekent dat batterijen kunnen worden geoptimaliseerd voor specifieke behoeften.
Implicaties in de echte wereld
Experts zijn van mening dat deze aanpassing eenvoudig kan worden geïntegreerd in bestaande productieprocessen voor batterijen. Michel Armand van CIC energiGUNE, een onderzoekscentrum voor energieopslag in Spanje, benadrukt het gebruik van ‘beproefde chemische procedures’, wat suggereert dat veiligheid en schaalbaarheid geen grote hindernissen mogen zijn.
De exacte verlenging van de levensduur van de batterij moet nog worden bepaald door verdere tests, maar Wang is optimistisch. “Het is een relatief eenvoudige aanpassing aan bestaande batterijen”, stelt hij, waarmee hij een realistisch pad impliceert naar implementatie op consumentenniveau na grondige veiligheidsevaluaties.
Deze chemische aanpassing vertegenwoordigt een eenvoudige maar potentieel transformerende stap in de richting van een duurzamere en efficiëntere energieopslag, waarmee een belangrijke beperking van de huidige lithium-iontechnologie wordt aangepakt.
