Wetenschappers van het Research Centre Jülich en de Westfalen Wilhelms University Münster hebben een nieuwe solid-state batterij ontwikkeld. Het bijzondere: hij heeft een anode van zuiver lithium. Het wordt beschouwd als het ideale elektrodemateriaal, omdat het de hoogste energiedichtheid bereikt. Maar omdat het metaal zeer reactief is, is het nog niet gebruikt als anode. De onderzoekers hebben een methode gevonden om deze eigenschap ‘in bedwang te houden’ door twee extra lagen van een nieuw polymeer te gebruiken. Deze lagen beschermen de keramische elektrolyt van de batterij en voorkomen zo dat de metalen op een onwenselijke manier met elkaar in contact komen. In laboratoriumtests waren honderden laadcycli mogelijk zonder dat de cellen aan capaciteit inboetten.

Geen brandbare vloeistoffen

Vaste (solid-state) batterijen worden beschouwd als een belangrijke ontwikkeling voor de toekomst. Hun bijzondere voordeel is dat solid-state batterijen geen vloeistoffen bevatten die kunnen lekken of in brand vliegen. Daarom zijn ze aanzienlijk veiliger, betrouwbaarder en duurzamer dan de huidige lithium-ionbatterijen met vloeibare elektrolyt. Tegelijkertijd hebben solid-state batterijen het potentieel om meer energie op te slaan in dezelfde ruimte met minder gewicht. De verwachting is dan ook dat deze technologie verschillende gebieden kan helpen om tot een doorbraak te komen. Mogelijke toepassingsscenario’s zijn onder andere elektromobiliteit, maar ook nichetoepassingen in de medische en ruimtevaarttechnologie zijn denkbaar.

“Het doel was om ons concept voor een solid-state batterij zodanig uit te breiden dat een stabiele werking met een lithium-anode mogelijk is, en dat hebben we bereikt”, aldus Dr. Hermann Tempel van het Jülich Institute for Energy and Climate Research (IEK-9), tevreden met de huidige resultaten. Lithium als anode wordt beschouwd als het materiaal bij uitstek om de hoogst mogelijke energiedichtheid te bereiken. Want het lichtste metaal is ook het meest elektronegatieve van alle chemische elementen.

De nieuwe solid-state batterij heeft een energiedichtheid van 460 Wh/kg voor beide elektroden. In vergelijking met de huidige lithium-ionbatterijen is dit een bijzonder goede waarde. Daarnaast zijn er nog andere voordelen aan het ontwerp verbonden. Solid-state batterijen zijn beduidend minder temperatuurgevoelig dan conventionele lithium-ion batterijen met vloeibare elektrolyt. Dit betekent dat ze geen temperatuurbeheersingsapparaten nodig hebben, zoals die eerder in elektrische auto’s werden gebruikt, die extra gewicht vergen.

Polymeerfolie als beschermlaag

600

Structuur van een solid-state batterij met hybride elektrolyt ©S. Yu et al., J. Materieel. Chem. A, 2019, Advance Article, DOI: 10.1039/C8TA11259B met lichte wijziging (CC BY 3.0)

Het gebruik van een anode van zuiver lithium werd mogelijk gemaakt door de installatie van een polymeerfilm tussen de anode en de elektrolyt. Zuiver lithium heeft de neiging om ongecontroleerde uitstulpingen te vormen bij het opladen. Deze zogenaamde dendrieten kunnen de cel kortsluiten of mechanisch vernietigen. In de anode van de huidige lithium-ionbatterijen worden lithiumatomen daarom opgeslagen in een opslagmedium, meestal grafiet. Dit verhoogt het gewicht van de elektrode en de hele batterij vele malen.

“Het polymeer functioneert als een beschermende laag die het gebruik van een lithium-anode mogelijk maakt,” legt Tempel uit. “Het voorkomt dat de keramische elektrolyt in direct contact komt met het metalen lithium bij de anode. Dit voorkomt schadelijke processen zoals dendrietvorming en chemische veranderingen in de keramische elektrolyt die de werking van de batterij aantasten.” De eerste tests in het laboratorium zijn al succesvol verlopen. Meer dan 500 laad- en ontlaadcycli, terwijl er nauwelijks prestatieverlies kon worden vastgesteld.

“Het bijzondere aan de cel is dat deze ondanks de matig geleidende polymeren functioneert; in sommige opzichten zelfs beter dan zonder”, aldus professor Hans-Dieter Wiemhöfer van het Helmholtz-instituut Münster (HI MS), die het speciale polymeer ontwikkelde, dat tot de klasse van de polyfosfazeen behoort. Wiemhöfer coördineert het BMBF project MEET-HiEnD II, waaruit de nieuwe batterij is ontstaan.

De polymeerlaag wordt tijdens de productie als vloeistof aangebracht. Het dringt diep door in de poreuze keramische elektrolyt. Dit verbetert het contact tussen de vaste elektrolyt en de vaste elektrode – een veel voorkomend probleem met solid-state batterijen. Dit proces vereist geen stabiele en zware behuizing om de verschillende componenten mechanisch te comprimeren en te zorgen voor een goede verbinding. Dit bespaart ook gewicht en helpt de energiedichtheid te verhogen.

Dubbele energiedichtheid maar langere laadtijd

Als extra barrière tussen de afzonderlijke componenten hebben de polymeerlagen echter ook een negatief effect op de prestaties van de batterij, met name op de stroomsnelheid. Vorig jaar presenteerden wetenschappers van Jülich een goed functionerende, snel oplaadbare solid-state accu die binnen een half uur kan worden opgeladen en ontladen. Met behulp van lithium anode en hybride elektrolyt zijn ze er nu in geslaagd om de theoretische energiedichtheid te verdubbelen. De oplaadtijd is nu echter verlengd tot twee uur. Dit is nog steeds een goede waarde voor solid-state batterijen.

De accu bevindt zich nog in een vroeg ontwikkelingsstadium en is slechts in beperkte mate klaar voor de praktijk. Zo moet de cel tijdens het gebruik op een minimumtemperatuur van 50 graden Celsius worden gehouden, zodat de hybride elektrolyt doorlaatbaar blijft voor ladingsdragers. “Voor goedkope toepassingen is het productieproces nog steeds te duur. De functionerende cel laat echter zien dat de hybride elektrolyt het mogelijk maakt om typische problemen op de interfaces van solid-state batterijen te omzeilen”, legt professor Rüdiger-A uit. Eichel, hoofd van het instituut van Forschungszentrum Jülich (IEK-9). De inherent veilige batterij met zijn hoge energiedichtheid kan wel al interessant zijn voor nichetoepassingen waarin de kosten niet zo’n grote rol spelen. “Maar de aanpak heeft ook een groot potentieel voor kostenkritische toepassingen zoals elektrische mobiliteit.”

Het onderzoekswerk werd ontwikkeld in het gezamenlijke BMBF-project MEET-HiEnD II, waarin de Westfälische Wilhelms-Universität Münster, het Forschungszentrum Jülich en de RWTH Aken samenwerken. De oorspronkelijke publicatie werd gepubliceerd in nummer 8/2019 in Materialenchemieblad A..

Hoofdfoto: De componenten van de lithium solid-state batterij met hybride elektrolyt nog in het laboratoriumstadium ©Forschungszentrum Jülich / T.Schlößer.