‘Zuurstofgaten’ zijn de sleutel tot beter presterende EV-batterijen

By Team IO

Wetenschappers hebben een doorbraak bereikt als het gaat om nikkelrijke materialen die worden gebruikt in batterijen voor elektrische voertuigen (EV). De onderzoekers, onder leiding van de Universiteit van Cambridge en de Universiteit van Birmingham, ontdekten dat de vorming van ‘zuurstofgaten’ – waarbij een zuurstofion een elektron verliest – een cruciale rol speelt bij de afbraak van nikkelrijke batterijmaterialen. Deze zuurstofgaten versnellen het vrijkomen van zuurstof dat de kathode van de batterij, een van de twee elektroden, verder kan aantasten. Hun resultaten staan in het tijdschrift Joule.

Nikkel wordt al gebruikt in lithium-ion-accu’s, maar het verhogen van het nikkelaandeel zou de energiedichtheid van accu’s aanzienlijk kunnen verbeteren, waardoor ze bijzonder geschikt zijn voor elektrische voertuigen en opslag op netwerkschaal. Praktische toepassingen van deze materialen zijn echter beperkt door structurele instabiliteit en de neiging om zuurstofatomen te verliezen, wat degradatie en uitval van de batterij veroorzaakt.

Zuurstof verandert tijdens opladen

Met behulp van rekentechnieken op supercomputers in het Verenigd Koninkrijk onderzochten de onderzoekers het gedrag van nikkelrijke kathodes tijdens het opladen. Ze ontdekten dat de zuurstof in het materiaal verandert tijdens het opladen terwijl de lading van nikkel onveranderd blijft.

“We ontdekten dat de lading van de nikkelionen rond +2 blijft, ongeacht of het in opgeladen of ontladen vorm is,” zei professor Andrew J Morris van de Universiteit van Birmingham, die het onderzoek mede leidde. “Tegelijkertijd varieert de lading van de zuurstof van -1,5 tot ongeveer -1.

“Dit is ongebruikelijk, het conventionele model gaat ervan uit dat de zuurstof tijdens het opladen op -2 blijft, maar deze veranderingen tonen aan dat de zuurstof niet erg stabiel is en dat we een manier hebben gevonden om de nikkelrijke kathode te verlaten,” voegde de onderzoeker eraan toe.

Schadelijke formaties voorkomen

De onderzoekers vergeleken hun berekeningen met experimentele gegevens en ontdekten dat hun resultaten goed overeenkwamen met wat er was waargenomen. Ze stelden een mechanisme voor om zuurstof te verliezen tijdens dit proces, waarbij zuurstofradicalen worden gecombineerd tot een peroxide-ion, dat vervolgens wordt omgezet in zuurstofgas, waarbij vacatures in het materiaal achterblijven. Bij dit proces komt energie vrij en wordt singlet zuurstof gevormd, een zeer reactieve vorm van zuurstof.

“Door verbindingen toe te voegen die de elektrochemische reacties van zuurstof meer naar de overgangsmetalen verschuiven, vooral aan het oppervlak van de batterijmaterialen, kunnen we mogelijk de vorming van singlet zuurstof voorkomen,” zei eerste auteur Dr. Annalena Genreith-Schriever van de Yusuf Hamied afdeling Scheikunde. “Dit zal de stabiliteit en levensduur van deze lithium-ionbatterijen verbeteren en de weg vrijmaken voor efficiëntere en betrouwbaardere energieopslagsystemen.”

Lithium-ionbatterijen worden veel gebruikt voor toepassingen vanwege hun hoge energiedichtheid en oplaadbaarheid. Toch hebben uitdagingen in verband met de stabiliteit van kathodematerialen hun algehele prestaties en levensduur vaak belemmerd.