Elektrische voertuigen dragen mede bij tot de oplossing voor de klimaatverandering. Het probleem is echter dat de batterijen nog te weinig vermogen hebben. Daardoor is de actieradius van elektrische voertuigen beperkt. Technici zoeken de oplossing in lithium-ionbatterijen met een tot 30 procent grotere laadcapaciteit. Het Karlsruher Institut für Technologie (KIT)  doet veel onderzoek naar deze hoogvermogenbatterijen. De weg naar deze superkrachtige batterijen is echter nog lang.

Keukenzout

Momenteel worstelen technici nog met het probleem van materiaaldegradatie in de batterij. Dat gebeurt tijdens de synthese van het kathodemateriaal. De onderzoekers van het KIT zijn op dat vlak weer een stap verder gekomen. Zij ontdekten dat de degradatie van het materiaal niet direct verloopt, maar indirect. ”Er blijkt zich een structuur te ontwikkelen van lithiumhoudend keukenzout  Dat was tot dusver nog maar amper bekeken,” vertelt  Weibo Hua (IAM-ESS). Hij is een van de hoofdautoren van de net gepubliceerd onderzoek over dit onderwerp. “Bovendien speelt ook zuurstof een belangrijke rol bij dit proces“.

Voorts komt uit het onderzoek naar voren dat ook nog op andere vlakken onderzoek gedaan moet worden. Nieuwe inzichten over het fenomeen van opladen en ontladen van batterijen en het capaciteitsverlies, hoeven niet uitsluitend te komen uit  verder onderzoek naar het degradatieproces. Weibo en de andere betrokken wetenschappers hadden hun informatie ook verkregen uit onderzoek dat tijdens de synthese van het kathodemateriaal werd uitgevoerd.

(v.l.n.r.): Michael Knapp, Sylvio Indris, Weibo Hua, Björn Schwarz © Amadeus Bramsiepe, KIT

Opslagcapaciteit kan tot 30 % hoger

Hoe dan ook is het een wezenlijk nieuwe stap op weg naar accu’s met een veel hoger vermogen. Op grond van deze inzichten wordt het mogelijk  nieuwe benaderingen te testen voor het minimaliseren van degradatie in de oxidelaag. Dit maakt het op zijn beurt weer mogelijk om te beginnen met de eigenlijke ontwikkeling van nieuwe hoogenergetische batterijen.

We staan op het punt hoogvermogen-systemen te ontwikkelen,” aldus professor Helmut Ehrenberg, van het Instituut voor toegepaste materialen en energie-opslagsystemen (IAM-ESS). „Door de kennis van de elektrochemische processen in de batterij en door de toepassing van nieuwe materialen, kan naar ons idee de capaciteit van lithium-ionbatterijen met 30 procent toenemen.”

Het onderzoek aan de KIT vindt plaats in het kader van het onderzoeksproject van het ‘Center for Electrochemical Energy Storage Ulm & Karlsruhe’  (CELEST). Dat is het grootste Duitse onderzoeksplatform voor elektrochemische energieopslag.

Huidige accu’s werken anders

De hoogenergetische variant van de lithium-iontechnologie onderscheidt zich van de conventionele door zijn speciale kathodemateriaal. Waar tot nu toe coatingsoxiden met nikkel, mangaan en kobalt werden gebruikt, worden nu mangaanrijke materialen met een overschot aan lithium gebruikt. Dit verhoogt de energieopslagcapaciteit per volume/massa kathodemateriaal al aanzienlijk. Helaas levert het gebruik van deze materialen nog steeds precies hetzelfde probleem op als hierboven beschreven. Het hoogenergetische kathodemateriaal wordt afgebroken in de basiswerking van een batterij, namelijk het voortdurende opladen en ontladen.  Na enige tijd verandert de laag oxide in een kristalstructuur met zeer ongunstige elektrochemische eigenschappen. Dit verlaagt op zijn beurt de gemiddelde laad- en ontlaadspanning. Dat is tot nu toe steeds de ontwikkeling van bruikbare lithium-ionenaccu’s met een hoog vermogen verhinderde.

Andere artikelen over e-mobiliteit vindt u hier