Duitse onderzoekers lossen belangrijkste handicap van Solid-state lithium-zwavel batterijen op

Solid-state lithium-zwavel batterijen bieden het potentieel voor veel hogere energiedichtheden en meer veiligheid, in vergelijking met conventionele lithium-ion batterijen.

De prestaties van solid-state batterijen schieten momenteel echter tekort, vooral vanwege traag laden en ontladen. Uit een nieuwe studie van het Helmholtz Zentrum Berlin (HZB) blijkt nu dat het trage lithiumiontransport binnen een composietkathode de oorzaak is van dit trage laden en ontladen, aldus de onderzoekers in een persbericht.

De wetenschappers ontwierpen een speciale cel om het transport van lithium-ionen tussen de anode en de kathode in een solid-state lithium-zwavel batterij te observeren. Aangezien lithium nauwelijks kan worden gedetecteerd met röntgenmethoden, onderzochten HZB-fysici Dr. Robert Bradbury en Dr. Ingo Manke de monstercel met neutronen, die uiterst gevoelig zijn voor lithium.

Na de lithium-ion: de zuurstof-ion batterij

Lithium-ion batterijen zijn tegenwoordig alomtegenwoordig – van elektrische auto’s tot smartphones. Maar dat betekent niet dat ze de beste oplossing zijn voor alle toepassingsgebieden.

Lithiumionen direct waargenomen

“We hebben nu een veel beter idee van wat de prestaties van de batterij beperkt,” zegt Bradbury: “Uit de operando-neutronenradiografische gegevens blijkt dat er een reactiefront van lithiumionen door de composietkathode loopt, wat de negatieve invloed van een lage effectieve ionengeleidbaarheid bevestigt.” Bovendien laten de 3D-neutronentomografiebeelden zien dat het opgesloten lithium zich tijdens het opladen concentreert in de buurt van de stroomcollector. “Dit resulteert in een verminderde capaciteit omdat slechts een deel van het lithium wordt teruggevoerd wanneer de batterij wordt opgeladen”, vervolgt Bradbury.

De waargenomen lithiumverdeling paste uitstekend in een model dat gebaseerd is op de theorie van poreuze elektroden: “Wat we hier waarnemen in de neutronenbeeldvormingsgegevens correleert goed met de relevante elektronische en ionische geleidingscondities uit het model”, aldus Bradbury.

Knelpunt geïdentificeerd

Deze resultaten onthullen een voorheen over het hoofd geziene ontwikkelingsknelpunt voor solid-state batterijen, en tonen aan dat er beperkingen bestaan in de kathodecomposieten als gevolg van het trage ionentransport. De uitdaging is nu om een snellere ionentransport binnen de kathodecomposiet mogelijk te maken. “Zonder directe visualisatie van het reactiefront binnenin de kathodecomposiet zou dit effect onopgemerkt zijn gebleven, ondanks het belang ervan voor de ontwikkeling van solid-state batterijen,” aldus Bradbury.

Meer energie, goedkoper en veiliger: de baanbrekende solid-state batterijtechnologie verbindt Altech en Fraunhofer – Innovation Origins

Altech Batteries Ltd en het Duitse batterij instituut Fraunhofer IKTS hebben een joint venture opgericht om CERENERGY te commercialiseren.