Kathodestoornis verdubbelt de levensduur van de batterij

ENGINEERINGNET.BE – Oplaadbare batterijen zijn een belangrijk onderdeel van de energietransitie, zeker nu er steeds meer duurzame energie beschikbaar is. Van de vele soorten oplaadbare batterijen behoren lithium-ionbatterijen tot de krachtigste en meest gebruikte.

Om deze batterijen elektrisch te verbinden, worden vaak gelaagde oxidematerialen als elektroden gebruikt. De atomaire structuur wordt echter onstabiel wanneer de batterij wordt opgeladen. Dit heeft uiteindelijk invloed op de levensduur van de batterij.

Om dit probleem op te lossen heeft de TU Delft samengewerkt met internationale onderzoekers. Onderzoeker Qidi Wang van de TU Delft: “De oxidelagen die als kathodemateriaal voor lithium-ionbatterijen worden gebruikt, zijn overzichtelijk gerangschikt. We hebben een structuurontwerpstudie uitgevoerd om chemische wanorde op korte afstand in het materiaal te introduceren via een verbeterde synthesemethode. Dit maakte het stabieler bij gebruik van de batterij.”

De verbeterde structurele stabiliteit verdubbelde bijna het capaciteitsbehoud van de batterij na 200 laad- en ontlaadcycli. Bovendien verhoogt een chemische stoornis op korte afstand de ladingsoverdracht op de elektrode, wat resulteert in kortere oplaadtijden. Het team demonstreerde deze voordelen voor veelgebruikte commerciële kathodes, zoals lithiumkobaltoxide en lithiumnikkelmangaankobaltoxide.

De resultaten zouden kunnen leiden tot een nieuwe generatie lithium-ionbatterijen, met lagere productiekosten en een kleinere ecologische voetafdruk per opgeslagen eenheid energie gedurende de gehele levensduur van de batterij.

Het team gaat nu onderzoeken of dezelfde materiaalontwerpprincipes kunnen worden gebruikt om kathodes te maken uit minder schaarse grondstoffen. “Kobalt en nikkel zijn cruciale materialen voor energietechnologieën. Het is goed om het gebruik van deze materialen in batterijen terug te dringen”, zegt hoofdonderzoeker Marnix Wagemaker van de TU Delft.

De onderzoekspartners zijn het Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie en verschillende Chinese wetenschappelijke instellingen.