Commercieel verkrijgbaar sinds de jaren 70, de lithium-ionbatterij is nu de krachtbron van het werkpaard in veel toepassingen. Het is te vinden in mobiele telefoons, laptops en elektrische voertuigen. Nog, veel over de fundamentele wetenschap die plaatsvindt op atomair en moleculair niveau tijdens laden en ontladen blijft een mysterie.

In een nieuwe studie gepubliceerd in Natuur Katalyse , een team van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) meldt een doorbraak in het begrijpen van de chemie van de microscopisch dunne laag die zich vormt op het grensvlak tussen de vloeibare elektrolyt en de vaste elektrode. Batterijonderzoekers verwijzen gewoonlijk naar deze laag als de "vaste elektrolyt-interfase" of SEI.

De afgelopen decennia is veel wetenschappelijk werk besteed aan het begrijpen van de SEI in de lithium-ionbatterij. Wetenschappers weten dat de SEI zich vormt op de negatieve grafietelektrode, extreem dun is (minder dan een duizendste van een millimeter), en krijgt vooral vorm tijdens de eerste lading van de batterij. Ook goed ingeburgerd is dat de SEI voorkomt dat schadelijke reacties optreden op het grensvlak, terwijl ze tegelijkertijd de belangrijke lithiumionen vrij laten bewegen tussen de elektrolyt en de elektrode.

Alle goede lithium-ionbatterijen hebben goed werkende SEI's. Zoals Dusan Strmcnik - een co-hoofdonderzoeker en assistent chemisch ingenieur in de Materials Science-divisie (MSD) - opmerkte:"De batterijprestaties zijn sterk afhankelijk van de kwaliteit van de SEI. Als de chemie en de rol van afzonderlijke componenten van de SEI worden begrepen, de SEI kan worden afgestemd om de batterijprestaties te verbeteren."

"Belangrijker, een dergelijk begrip zou ons voorspellend vermogen van de levensduur van de batterij aanzienlijk verbeteren, die van extreem hoge waarde is voor een fabrikant van elektrische auto's, ", voegde Strmcnik eraan toe.

Het internationale team van onderzoekers, waaronder medewerkers van de Universiteit van Kopenhagen, de Technische Universität München in Duitsland en de BMW Group, ontcijferde de chemie achter een van de meest voorkomende componenten van de SEI in typische lithium-ionbatterijen, lithiumfluoride. Op basis van zowel experimentele als computationele resultaten, hun bevindingen toonden aan dat deze fase zich vormt tijdens het opladen van de batterij door de elektrochemische reactie van waterstoffluoride, waterstofgas en vast lithiumfluoride produceren.

Deze reactie is sterk afhankelijk van het elektrodemateriaal, wat een metaal kan zijn, grafeen of grafietmateriaal, en demonstreert daarmee het belang van katalyse in batterijvoeding. Het team ontdekte een nieuwe methode om de concentratie van waterstoffluoride te controleren, een zeer schadelijke onzuiverheid die ontstaat door een reactie tussen sporen van vocht en het zout (LiPF6) in de elektrolyt. Deze monitoringcapaciteit zou essentieel moeten blijken voor toekomstige fundamentele wetenschappelijke studies van de SEI.

Aan Argonne Distinguished Fellow en co-hoofdonderzoeker Nenad Markovic, de resultaten van het onderzoek hebben nu al een commerciële impact. "Onze bevindingen worden al geïmplementeerd in lithium-ioncellen in het Battery Cell Competence Center van de BMW Group. Ze zullen ook nieuwe kansen openen voor de verbetering van bestaande, en het ontwerp van nieuwe, lithium-ion-technologieën."

De Natuur Katalyse artikel is getiteld "Elektrokatalytische transformatie van HF-onzuiverheid naar H2 en LiF in lithium-ionbatterijen."