Decennia lang hebben wetenschappers geloofd dat de onvermijdelijke filmophoping op oplaadbare batterij-elektroden verantwoordelijk is voor prestatievermindering. Maar uit een recent onderzoek in de Verenigde Staten is gebleken dat er eigenlijk andere redenen achter de prestatiedaling schuilgaan. Een onderzoeksteam van het Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) van het Amerikaanse ministerie van Energie heeft ontdekt dat de ophoping van lithiummetaalafzettingen in bemoste of boomachtige structuren op batterijelektroden niet de hoofdoorzaak is van prestatievermindering, maar eerder een bijwerking.
Hun nieuwste bevindingen zijn onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Nature Energy.
Hun resultaten laten zien dat de zogenaamde solid electrolyte interface (SEI) geen elektronische isolator is zoals eerder werd gedacht, maar zich gedraagt als een halfgeleider. De SEI fungeert als een bewaker, waardoor lithiumionen vrij in en uit de anode kunnen bewegen. Wetenschappers hebben zich lange tijd geconcentreerd op het bestuderen van deze SEI-laag, die ondanks dat hij dunner is dan een stuk papier, een grote rol speelt in de prestaties van de batterij.
SEI ontstaat tijdens de eerste laadcyclus als de accu nog nieuw is en blijft idealiter stabiel gedurende de verwachte levensduur van de accu. Maar als je in een verouderende oplaadbare batterij kijkt, zie je meestal een grote opeenhoping van vast lithium op de negatieve elektrode. Batterijonderzoekers zijn van mening dat deze opbouw leidt tot prestatievermindering. Maar voorheen was het onmogelijk om oorzaak en gevolg te meten.
In hun laatste onderzoek hebben ze dit probleem opgelost door een nieuwe techniek te ontwikkelen om de geleidbaarheid van SEI in experimentele systemen direct te meten. Het team combineerde transmissie-elektronenmicroscopie met manipulatie op nanoschaal van microgefabriceerde metalen naalden in de microscoop. De onderzoekers maten vervolgens de elektrische eigenschappen van SEI-lagen gevormd op koper of lithiummetaal met behulp van vier verschillende soorten elektrolyten.
Hiermee hebben ze een al lang bestaand mysterie opgelost over hoe SEI functioneert bij batterijgebruik. Uit de metingen van het team bleek dat naarmate de celspanning toenam, de SEI-laag in alle gevallen elektronen lekte, waardoor deze halfgeleidend werd. Bovendien lekken de koolstofhoudende organische componenten van de SEI-laag gemakkelijk elektronen en verkorten ze de levensduur van de batterij.
"Hogere geleidbaarheid leidt tot dikkere SEI en complexe vaste lithiumvormen, wat uiteindelijk leidt tot slechtere batterijprestaties", zegt Chongmin Wang, een PNNL-laboratoriumonderzoeker en expert op het gebied van batterijtechnologie die mede leiding gaf aan het onderzoek.
Op dit punt concludeerden de onderzoekers dat het minimaliseren van de organische componenten in de SEI zou resulteren in een langere levensduur van de batterij.
"Zelfs kleine veranderingen in de geleidingssnelheid door de SEI kunnen leiden tot enorme verschillen in efficiëntie en stabiliteit van de batterijcyclus", voegde Wang eraan toe.