Oplaadbare lithium-ion, de dominante batterijtechnologie voor draagbare elektronica, wordt steeds meer de voorkeursbatterij voor toepassingen voor energieopslag in elektrische voertuigen en op het elektriciteitsnet.

In een lithium-ionbatterij, de kathode (positieve elektrode) is een lithiummetaaloxide, terwijl de anode (negatieve elektrode) grafiet is. Maar onderzoekers zoeken naar manieren om grafiet te vervangen door lithiummetaal als anode om de energiedichtheid van de batterij te verhogen.

Aangezien de pakkingsdichtheid van lithiumatomen de hoogste is in zijn metallische vorm, batterijen die metallische lithiumanoden gebruiken, kunnen meer energie per gewicht of volume bevatten dan op grafiet gebaseerde anodes. Echter, lithiummetaalanoden worden geplaagd door "dendriet"-ophoping die plaatsvindt tijdens herhaalde cycli van opladen en ontladen.

Dendrieten zijn vertakte uitsteeksels die uit het lithiummetaaloppervlak komen. Vaak, ze groeien lang genoeg om een ​​kortsluiting tussen de elektroden te veroorzaken, leidend tot brandgevaar.

Maar nu heeft een team van onderzoekers van het Rensselaer Polytechnic Institute (Rensselaer) een manier ontdekt om interne batterijwarmte te gebruiken om de dendrieten in een gladde laag te verspreiden. De onderzoekers rapporteerden hun bevindingen deze week in Wetenschap .

"We hebben ontdekt dat lithiummetaaldendrieten in situ kunnen worden genezen door de zelfverhitting van de dendritische deeltjes, " zei Nikhil Koratkar, de John A. Clark en Edward T. Crossan Professor of Engineering aan Rensselaer en corresponderende auteur van het artikel.

Het dendrietprobleem omzeilen

Een batterijapparaat bestaat uit twee elektroden:de kathode en de anode. Tussen de elektroden is een isolerend membraan geplaatst dat fungeert als een afscheider om te voorkomen dat de elektroden elkaar raken en de batterij kortsluiten. De separator is verzadigd met een vloeibaar elektrolyt, waardoor ionen (geladen atomen) heen en weer kunnen pendelen tussen de elektroden.

Chemische reacties produceren elektriciteit wanneer positief geladen lithiumionen van de anode bij ontlading naar de kathode worden getransporteerd. Wanneer de batterij is aangesloten op een stopcontact om op te laden, het omgekeerde gebeurt:de lithiumionen stromen van de kathode terug naar de anode.

In een batterij met een lithiummetaalanode, herhaalde cycli van ontladen en opladen veroorzaken dendrietophoping op het oppervlak van de anode. Deze doornige opeenhoping kan uiteindelijk de separator binnendringen en de kathode raken. Wanneer dit gebeurt, er ontstaat kortsluiting waardoor een batterij onbruikbaar wordt, of erger, veroorzaakt een brand.

De industrie heeft het lithiumdendrietprobleem vermeden door koolstofanoden (meestal grafiet) te gebruiken. Bij deze benadering lithiumionen diffunderen in en worden opgeslagen in de koolstofmatrix, die elk lithiumatoom isoleert, waardoor dendrietopbouw wordt voorkomen. Typisch, één lithiumatoom wordt opgeslagen voor elke zes koolstofatomen, met het overtollige koolstofmateriaal dat weinig meer dan eigen gewicht dient.

"Lithium-ionbatterijen met op koolstof gebaseerde anodes zijn de best beschikbare optie, maar ze kunnen de vraag naar opslagcapaciteit niet meer aan, "Zei Koratkar. "Voor belangrijke nieuwe verbeteringen, we moeten ergens anders kijken. De beste optie zou een lithium-metaalsysteem zijn."

Zelfverhittingstechniek kan een game-wisselaar zijn

De voorgestelde oplossing van de Rensselaer-onderzoekers maakt gebruik van de interne resistieve verwarming van de batterij om de opbouw van dendriet te elimineren. Weerstandsverwarming (ook bekend als Joule-verwarming) is een proces waarbij een metallisch materiaal weerstand biedt aan de stroom en, als resultaat, warmte produceert. Deze "zelfverhitting" vindt plaats door het laad- en ontlaadproces.

De onderzoekers verhoogden het zelfverhittingseffect door de stroomdichtheid (laad-ontlaadsnelheid) van de batterij te verhogen. Het proces veroorzaakte uitgebreide oppervlaktediffusie van lithium, het verspreiden van de dendrieten in een gelijkmatige laag.

Onderzoekers hebben deze verzachting (genezing) van de dendrieten voor het eerst aangetoond in een lithium-lithium symmetrische cel. Vervolgens toonden ze het proces met dezelfde resultaten in een proof-of-concept-demonstratie met behulp van een lithium-zwavelbatterij.

Dendrietgenezing zou worden uitgevoerd door software voor batterijbeheersysteem, die zou zorgen voor doses "zelfgenezende" behandeling door een paar cycli met een hoge laad- en ontlaadsnelheid uit te voeren wanneer een elektronisch apparaat niet in gebruik is.

"Een beperkt aantal cycli bij hoge stroomdichtheid zou optreden om de dendrieten te genezen, en dan kunnen de normale werkzaamheden worden hervat, "Zei Koratkar. "Zelfgenezing zou optreden als een onderhoudsstrategie, lang voordat de dendrieten een veiligheidsrisico worden."

"Energieopslag met hoge dichtheid blijft een kritieke hindernis tussen het oogsten van hernieuwbare energie en het wijdverbreide gebruik ervan in alles, van elektrische voertuigen tot huizen op zonne-energie, " zei Dean of Engineering Shekhar Garde. "Resultaten van het laboratorium van prof. Koratkar laten zien hoe het fundamentele begrip van materialen op nanoschaal kan worden gebruikt om niet alleen de energiedichtheid van batterijen te verhogen, maar maar ook hun leven verlengen en veiliger maken."