De ontdekking van een nieuwe klasse elektrolyten zou een enorme sprong  voorwaarts kunnen betekenen voor de vaste accu en dus voor de elektromobiliteit. Het gaat om kristallen, maar ze hebben bewegingskarakteristieken die meer lijken op die van vloeibare elektrolyten. Het door de KU Leuven geleide onderzoek is uitgevoerd in samenwerking met Toyota.

Een duurzaam en klimaatvriendelijk transportsysteem op basis van hernieuwbare energie is nog steeds waar we allemaal naar op zoek zijn. Een echte doorbraak van elektrische mobiliteit zou een enorme stap in deze richting zijn. Elektrische voertuigen zijn immers (in elk geval lokaal) emissievrij. Daarvoor moet er echter nog één obstakel worden overwonnen: de realisatie van efficiëntere en toch veilige accu’s.

In IO’s archieven: nog 200 artikelen over batterijen en accu’s

Solid-state batterij

Zelfs de modernste auto-accu’s zijn nog steeds inferieur aan vloeibare brandstoffen voor verbrandingsmotoren – zowel wat betreft energiedichtheid als zuinigheid. Voorlopig hebben lithium-ionbatterijen zich wel bewezen. Wat duurzaam denkende consumenten nog steeds ontmoedigt, zijn hoge prijzen en een laag bereik. Daardoor blijft de vraag beperkt. De doorbraak wordt verwacht van de solid-state batterij.

Niet ontvlambaar

Solid-state batterijen hebben een aanzienlijk hogere energiedichtheid dan lithium-ionbatterijen. Tegelijkertijd zijn deze accu’s compacter en op lange termijn voordeliger dan conventionele lithium-ionbatterijen. Een ander voordeel is hun ongevoeligheid voor temperatuurschommelingen. Hoge en lage temperaturen bij vloeibare elektrolyten kunnen ervoor zorgen dat deze elektrolyt bevriezen of koken. Solid-state batterijen zijn niet ontvlambaar.

De reden waarom de ontwikkeling van solid-state batterijen tot nu toe is mislukt, is het lage ionengeleidingsvermogen. Dit is nog steeds lager dan dat van vloeibare elektrolyten.

Nieuwe Ionengeleider LTPS

Samen met collega’s van TU München en TU Graz komen onderzoekers van de KU Leuven nu met een solide elektrolyt voor batterijen met de hoogste lithium-ionenmobiliteit die tot nu toe is gemeten. De nieuwe ionische geleider volgt de moleculaire formule LiTi2(PS4)3 en heet lithium titanium thiofosfaat (LTPS). Het materiaal heeft een bijzonder kenmerk: het heeft een kristalstructuur die tot “geometrische frustratie” leidt. De kristalstructuur van de nieuwe ionengeleider biedt namelijk geen energetisch voordelige locaties voor de ionen. De ionen zijn nooit tevreden met hun locatie en zijn daarom gefrustreerd. Het is precies deze frustratie die leidt tot een zeer hoge mobiliteit van lithium. Dit bleek uit berekeningen van de groep rond Geoffroy Skin van de KU Leuven.

Martin Wilkening van het Instituut voor Chemische technologie van materialen van de TU Graz en hoofd van de Christelijke Doppler-laboratoria voor Lithium Batterijen:

“De lithium-ionen zoeken min of meer ‘wanhopig’ een geschikte plaats en bewegen zich zeer snel door de kristalstructuur van LTPS. Het is precies deze hoge ionenmobiliteit die we willen hebben in elektrolytlichamen voor vaste accu’s.”

Hoge ionenmobiliteit

Het team rond Wilkening testte de berekeningen van Hautier in een experiment met kernresonantiemethoden en kon ze bevestigen. Twee ‘springprocessen’ gaven duidelijke aanwijzingen voor de hoge mobiliteit van de ionen. LTPS heeft een ringvormige structuur. Deze gebruiken de lithium-ionen om heen en weer te springen, van de ene ring naar de andere. Wilkening zegt dat het het intra-ring proces is dat een lange afstand ionentransport mogelijk maakt.

Ongevoelig voor temperaturen

De intra-ring springprocessen konden nog niet volledig worden geëlimineerd, zelfs bij extreem lage temperaturen. Zelfs bij 20 Kelvin (min 253 graden Celsius) zijn de lithium-ionen nog steeds mobiel en zoeken ze een geschikte locatie binnen LTPS. Dit gedrag verschilt duidelijk van dat van bekende ionen, waarvan de mobiliteit aanzienlijk afneemt bij dalende temperaturen. De bedrijfstemperatuur in een vaste brandstofaccu in een elektrisch voertuig zal nooit zo laag zijn, zegt Wilkening.

Zoek naar verdere verbindingen

De eigenschap van energieke frustratie maakt LTPS tot een nieuwe klasse elektrolyten. Deze zijn dus kristallig, maar hebben bewegingskarakteristieken die meer lijken op die van vloeibare elektrolyten. De ontdekking van het geleidend materiaal markeert het begin van een zoektocht naar verdere verbindingen waarin een gelijkaardig geleidingsmechanisme heerst.

De studie werd uitgevoerd in samenwerking met Toyota Motor Europa . Andere samenwerkingspartners waren de Technische Universiteiten van Graz en München, het Toray Research Center (Japan) en de KU Leuven. Deze laatste heeft voor de ontdekking van LTPS octrooi aangevraagd.