Het combineren van twee additieven in plaats van één om de opname van lithium in condensatoren te vergemakkelijken:dat is de oplossing die wordt voorgesteld door onderzoekers van l'Institut des Matériaux Jean Rouxel (CNRS/Université de Nantes), in samenwerking met Münster Electrochemical Energy Technology (Universiteit van Münster, Duitsland), om de lage kosten te promoten, eenvoudig, en efficiënte ontwikkeling van de lithium-ioncondensatoren die worden gebruikt om elektrische energie op te slaan. Dit onderzoek, gepubliceerd in Geavanceerde energiematerialen op 5 juni 2019, zal de massamarketing van deze componenten mogelijk maken.

Elektrochemische opslagsystemen voor elektriciteit spelen een centrale rol bij de integratie van hernieuwbare energiebronnen, en staan ​​op het punt de elektromobiliteitssector over te nemen. Er zijn twee oplossingen om deze energie op te slaan:lithium-ionbatterijen, die het voordeel hebben van een grote opslagcapaciteit, en condensatoren, die minder capaciteit hebben, maar kan een groot aantal keren zeer snel opladen en ontladen. Lithium-ion-condensatoren (LIC) combineren het beste van twee werelden.

De materialen waaruit lithium-ioncondensatoren bestaan, bevatten geen lithiumionen (of elektronen), in tegenstelling tot batterijen. Het is daarom noodzakelijk om door te gaan met een prelithiatiefase om ze toe te voegen, zodat het apparaat kan functioneren. Tegenwoordig worden twee brede strategieën gebruikt:een van de samenstellende materialen van de condensator wordt geprelithieerd voordat het wordt geïntegreerd, of een additief met veel lithiumionen zal ze tijdens de eerste lading herverdelen over de materialen van de condensator. Deze methoden zijn echter kostbaar en complex, en kan de capaciteit van het apparaat verminderen. Bovendien, de meeste beschikbare prelithiatieadditieven verslechteren wanneer ze in contact komen met de lucht en/of de oplosmiddelen die worden gebruikt om lithium-ioncondensatoren te vervaardigen. Kortom, hoewel sommige van de voorgestelde oplossingen vandaag werken, er is geen "wonderrecept" dat krachtig is, robuust, eenvoudig, en goedkoop.

Onderzoekers van l'Institut des Matériaux Jean Rouxel1 (CNRS/Université de Nantes), in samenwerking met Münster Electrochemical Energy Technology (Universiteit van Münster), ging deze uitdaging aan door niet slechts één maar twee additieven te gebruiken die door opeenvolgende chemische reacties werden gekoppeld. Uit hun analyse blijkt dat de primaire barrière voor eerdere benaderingen het gebruik van een enkel additief was, die niet alleen lithiumionen en elektronen moest leveren, maar ook voldoen aan alle prijsvoorwaarden, chemische stabiliteit, en prestaties. Het gebruik van twee additieven met elk een specifieke rol, waarvan de ene lithiumionen levert en de andere elektronen, biedt veel meer speelruimte, want ze kunnen onafhankelijk worden geselecteerd op hun prijs, chemische eigenschappen, en prestaties. Wanneer een lithium-ioncondensator wordt opgeladen, het eerste additief (pyreen, van nature aanwezig in bepaalde soorten steenkool) maakt elektronen en protonen vrij. Het tweede additief, Li3PO4 (massaproductie in de glasindustrie, bijvoorbeeld), vangt deze protonen, en maakt op zijn beurt lithiumionen vrij die dan beschikbaar zijn voor prelithiatie.

Een bijkomend voordeel van deze aanpak is dat na prelithiatie, het residu van een van de twee gebruikte additieven, pyreen, draagt ​​bij aan de opslag van ladingen, waardoor de hoeveelheid elektrische energie die in het apparaat is opgeslagen, toeneemt. De efficiëntie en veelzijdigheid die deze nieuwe aanpak biedt, maakt de weg vrij voor een goedkope oplossing voor prelithiatie, wat resulteert in lithium-ion condensatoren die meer energie kunnen opslaan. Het doorbreken van deze technologische barrière moet daarom een ​​snellere commercialisering van deze apparaten mogelijk maken.