Solid-state batterijen op basis van een lithium-metaalanode worden al jaren beschouwd als de heilige graal van batterijtechnologie. Ze beloven een hogere energiedichtheid dan lithium-ionbatterijen, wat met name interessant is voor toepassingen in elektrische voertuigen, drones en draagbare elektronica. Maar ondanks hun theoretische voordelen blijven praktische obstakels als dendrietvorming, lage coulombische efficiëntie en snelle degradatie een rem op grootschalige toepassing.
Een nieuw onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift Joule, brengt hier mogelijk verandering in. Wetenschappers van de University of California, San Diego, introduceren een innovatieve lithium-zilverlegering (LixAg) die zich gedraagt als een zogeheten Mixed Ionic and Electronic Conductor (MIEC). Daarmee combineren ze het beste van twee werelden: een hoge lithium-iongeleiding én elektrische geleidbaarheid, in één stabiel anodemateriaal.
Lithium zonder dendrieten
De grootste uitdaging bij lithium-metaalbatterijen is het voorkomen van dendrieten — naaldachtige lithiumstructuren die bij het laden op de anode groeien en kortsluiting kunnen veroorzaken. In de meeste huidige ontwerpen wordt gebruikgemaakt van een kopercollector waarop zich een ongelijke lithiumafzetting vormt. De onderzoekers tonen aan dat wanneer koper wordt vervangen door een LixAg-legering, de lithiumafzetting homogener en stabieler verloopt.
Dit komt doordat LixAg niet alleen als elektronengeleider fungeert, maar ook als lithiumreservoir. Tijdens het laden diffunderen lithiumionen snel door de LixAg-matrix, waardoor lithium zich gelijkmatiger kan afzetten over een groter oppervlak. Dat verlaagt de lokale stroomdichtheden en minimaliseert hotspots waar normaal gesproken dendrietvorming begint.
Duurzamer en sneller laden
De onderzoekers testten lithium-metaalbatterijen met de nieuwe legering onder verschillende laad- en ontlaadscenario’s. De cellen met LixAg-anodes vertoonden een coulombische efficiëntie van meer dan 99,5% over honderden cycli, en behielden hun capaciteit aanzienlijk langer dan referentiecellen met een klassieke kopercollector. Bovendien bleek de diffusiesnelheid van lithium in LixAg minstens een orde van grootte hoger dan in de meeste gangbare materialen — een cruciale eigenschap voor toepassingen waarbij snelladen vereist is.
Deze eigenschappen maken LixAg interessant voor high-end toepassingen, zoals elektrische vliegtuigen of langeafstands-EV’s, waar energiedichtheid, laadsnelheid en veiligheid cruciale randvoorwaarden zijn. Maar ook op het vlak van productie-efficiëntie heeft het materiaal potentie, omdat het compatibel lijkt met bestaande fabricagetechnieken.
Tot slot
Hoewel het nog om laboratoriumresultaten gaat, is de ontdekking van een functionerende MIEC voor lithium-metaalbatterijen een belangrijke stap. De LixAg-legering biedt een interessante oplossing voor een van de grootste obstakels in de batterijtechnologie van de toekomst: het veilig en stabiel hanteren van metallisch lithium. Verdere schaalvergroting en optimalisatie van de productie zullen bepalend zijn voor een commerciële doorbraak.
Bron: Joule
