(Nanowerk NieuwsOnderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hebben een nieuwe lithium-metaalbatterij ontwikkeld die minstens 6,000 keer kan worden opgeladen en ontladen – meer dan welke andere batterijcel dan ook – en kan worden opgeladen in een kwestie van minuten. Het onderzoek beschrijft niet alleen een nieuwe manier om solid-state batterijen te maken met een lithiummetaalanode, maar biedt ook nieuw inzicht in de materialen die voor deze potentieel revolutionaire batterijen worden gebruikt. Het onderzoek is gepubliceerd in Natuur materialen (“Snelle cycli van lithiummetaal in vastestofbatterijen door vernauwingsgevoelige anodematerialen”). “Lithium-metaalanodebatterijen worden beschouwd als de heilige graal onder de batterijen, omdat ze tien keer de capaciteit hebben van commerciële grafietanodes en de rijafstand van elektrische voertuigen drastisch kunnen vergroten”, zegt Xin Li, universitair hoofddocent materiaalkunde bij SEAS en senior auteur van de krant. “Ons onderzoek is een belangrijke stap in de richting van meer praktische solid-state batterijen voor industriële en commerciële toepassingen.” Een van de grootste uitdagingen bij het ontwerp van deze batterijen is de vorming van dendrieten op het oppervlak van de anode. Deze structuren groeien als wortels in de elektrolyt en doorboren de barrière die de anode en kathode scheidt, waardoor de batterij kortsluiting krijgt of zelfs in brand vliegt. Deze dendrieten ontstaan ​​wanneer lithiumionen tijdens het opladen van de kathode naar de anode bewegen en zich hechten aan het oppervlak van de anode in een proces dat platering wordt genoemd. Door het plateren op de anode ontstaat een oneffen, niet-homogeen oppervlak, zoals tandplak, en kunnen dendrieten wortel schieten. Wanneer deze wordt ontladen, moet de plaque-achtige coating van de anode worden verwijderd en wanneer de galvanisering ongelijkmatig is, kan het stripproces langzaam verlopen en resulteren in kuilen die bij de volgende lading een nog ongelijkmatigere galvanisatie veroorzaken. In 2021 boden Li en zijn team een ​​manier aan om met dendrieten om te gaan door een meerlaagse batterij te ontwerpen waarin verschillende materialen met verschillende stabiliteiten tussen de anode en kathode waren ingeklemd (NATUUR, “Een ontwerpstrategie voor dynamische stabiliteit voor lithium-metaal-solid-state-batterijen”). Dit meerlaagse, uit meerdere materialen bestaande ontwerp verhinderde de penetratie van lithiumdendrieten, niet door ze helemaal tegen te houden, maar eerder door ze te controleren en in te dammen. In dit nieuwe onderzoek voorkomen Li en zijn team de vorming van dendrieten door siliciumdeeltjes van microngrootte in de anode te gebruiken om de lithieringsreactie te beperken en een homogene bekleding van een dikke laag lithiummetaal te vergemakkelijken. In dit ontwerp, wanneer lithiumionen tijdens het opladen van de kathode naar de anode bewegen, wordt de lithieringsreactie beperkt op het ondiepe oppervlak en hechten de ionen zich aan het oppervlak van het siliciumdeeltje, maar dringen niet verder door. Dit verschilt duidelijk van de chemie van vloeibare lithiumionbatterijen, waarbij de lithiumionen door een diepe lithieringsreactie binnendringen en uiteindelijk siliciumdeeltjes in de anode vernietigen. Maar in een solid-state batterij zijn de ionen op het oppervlak van het silicium vernauwd en ondergaan ze het dynamische proces van lithiëring om een ​​lithiummetaallaag rond de kern van silicium te vormen. “In ons ontwerp wordt lithiummetaal om het siliciumdeeltje gewikkeld, zoals een harde chocoladeschil rond een hazelnootkern in een chocoladetruffel”, zegt Li. Deze gecoate deeltjes creëren een homogeen oppervlak waarover de stroomdichtheid gelijkmatig wordt verdeeld, waardoor de groei van dendrieten wordt voorkomen. En omdat het plateren en strippen op een vlakke ondergrond snel kan gebeuren, kan de batterij in slechts ongeveer 10 minuten worden opgeladen. De onderzoekers bouwden een zakcelversie van de batterij ter grootte van een postzegel, die 10 tot 20 keer groter is dan de knoopcel die in de meeste universitaire laboratoria wordt gemaakt. De batterij behield 80% van zijn capaciteit na 6,000 cycli en presteerde daarmee beter dan andere zakcelbatterijen die momenteel op de markt zijn. De technologie is via het Harvard Office of Technology Development in licentie gegeven aan Adden Energy, een spin-offbedrijf van Harvard dat mede is opgericht door Li en drie Harvard-alumni. Het bedrijf heeft de technologie opgeschaald om een ​​zakcelbatterij ter grootte van een smartphone te bouwen. Li en zijn team karakteriseerden ook de eigenschappen waardoor silicium de diffusie van lithium kan beperken om het dynamische proces te vergemakkelijken dat een homogene platering van dik lithium bevordert. Vervolgens definieerden ze een unieke eigenschapsdescriptor om een ​​dergelijk proces te beschrijven en berekenden deze voor alle bekende anorganische materialen. Daarbij onthulde het team tientallen andere materialen die mogelijk vergelijkbare prestaties zouden kunnen leveren. “Eerder onderzoek had uitgewezen dat andere materialen, waaronder zilver, zouden kunnen dienen als goede materialen bij de anode voor vastestofbatterijen”, zegt Li. “Ons onderzoek verklaart een mogelijk onderliggend mechanisme van het proces en biedt een manier om nieuwe materialen voor het ontwerp van batterijen te identificeren.”

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid=64362.php