Nieuwe lithium-metaalbatterij biedt hoge energiedichtheid met hoge stabiliteit

Een nieuwe lithium-metaalbatterij ontwikkeld door het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) en het Helmholtz Institute Ulm (HIU) breekt records op het gebied van energiedichtheid. De accu biedt een zeer hoge dichtheid van 560 wattuur per kilogram – op basis van het totale gewicht van de actieve materialen – met een hoge stabiliteit.

De nieuwe batterij is ontwikkeld door onderzoekers van het Helmholtz Institute Ulm (HIU). Dit instituut is opgericht door het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) in samenwerking met de Universiteit van Ulm. De onderzoekers combineren een nikkelrijke kathode met een ionische vloeistof als elektrolyt. De kathode maakt de opslag van een grote hoeveelheid energie per massa mogelijk. Het elektrolyt zorgt dat deze capaciteit over een groot aantal laadcycli behouden blijft.

Alternatief voor lithium-ion accu’s

Lithium-ion accu’s zijn op dit moment de meest gemaakte keuze op het gebied van batterijen. Deze technologie zit volgens het KIT en HIU echter aan de top van zijn mogelijkheden als het gaat om bepaalde toepassingen. Het gaat dan onder meer om elektrische mobiliteit. Hier is vraag naar lichtgewicht compacte voertuigen met een groot bereik.

Lithium-metaal accu’s vormen een alternatief. Zij bieden een hoge energiedichtheid. Dit maakt de opslag van relatief veel energie per massa of volume mogelijk. Tegelijkertijd zijn er echter uitdagingen. Zo vormt hun stabiliteit een uitdaging, aangezien de elektrodematerialen kunnen reageren met veelvoorkomende elektrolyten.

Li|ILE|NCM88 cellen

Onderzoekers van het KIT en HIU bieden hiervoor nu een oplossing. In Joule magazine beschrijven zij hoe een nieuwe combinatie van materialen uitkomst biedt. De onderzoekers zetten een gelaagde nikkelrijke kathode in, waarin een minimale hoeveelheid kobalt is verwerkt. Deze wordt NCM88 genoemd. De kathode biedt een hoge energiedichtheid. Indien de onderzoekers deze kathode combineren met het veelvoorkomende elektrolyt LP30, levert dit echter een lage stabiliteit op. Zo neemt de opslagcapaciteit al snel af naarmate het aantal laadcycli oploopt.

Stefano Passerini, directeur van het HIU en hoofd batterij-elektrochemie bij de onderzoekersgroep, zegt hierover: “Bij het LP30 elektrolyt ontstaat scheurtjes in de kathode. Het elektrolyt reageert in deze scheurtjes en vernietigt de structuur. Daarnaast ontstaat een dikke, mosachtige lithium-bevattende laag op de anode.”

De onderzoekers zetten daarom een stabiele en niet-brandbare ionische liquide elektrolyt (ILE) met twee anions in. Een anion is een negatief geladen ion dat wordt aangetrokken door de positieve kathode. De accucellen die door deze combinatie ontstaan worden ook wel Li|ILE|NCM88 cellen genoemd. “Met behulp van ILE kunnen de structurele veranderingen in de nikkelrijke kathode significant worden teruggedrongen”, aldus Dr. Guk-Tae Kim van de Battery Electrochemistry Research Group van HIU.

Veelbelovende resultaten

Proeven met de nieuwe accu leveren veelbelovende resultaten op. Zo blijkt een energiedichtheid van 560 wattuur per kilogram mogelijk op basis van het totale gewicht van de actieve materialen. De accu biedt initieel een opslagcapaciteit van 214 milli-ampère-uur per gram. De accu biedt na 1.000 laadcycli zo’n 88% van zijn initiële capaciteit. De zogeheten Coulomb efficiëntie, die een indicatie geeft van de verhouding tussen opgenomen en afgegeven capaciteit, komt uit op gemiddeld 99,94%. De onderzoekers benadrukken ook de veiligheid van de accu die zij presenteren. Zij spreken van een belangrijke stap richting CO2-neutrale mobiliteit.

Meer informatie is beschikbaar in het artikel van de onderzoekers in het wetenschappelijke magazine Joule.

Auteur: Wouter Hoeffnagel