Een team van materiaalonderzoekers uit Juelich, München, en Praag is erin geslaagd een composietmateriaal te produceren dat bijzonder geschikt is voor elektroden in lithiumbatterijen. Het nanocomposietmateriaal kan helpen om de opslagcapaciteit en levensduur van batterijen aanzienlijk te verhogen, evenals hun laadsnelheid. De onderzoekers hebben hun bevindingen gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde functionele materialen .

Lithium-ionbatterijen zijn de ultieme maatstaf als het gaat om mobiele telefoons, tablet-apparaten, en elektrische auto's. Hun opslagcapaciteit en vermogensdichtheid zijn veel beter dan die van andere oplaadbare batterijsystemen. Ondanks recente vooruitgang, echter, smartphone-batterijen gaan maar een dag mee en elektrische auto's hebben uren nodig om op te laden. Wetenschappers werken daarom aan manieren om de vermogensdichtheid en laadsnelheden van allround batterijen te verbeteren. "Een belangrijke factor is het anodemateriaal, " legt Dina Fattakhova-Rohlfing uit van het Institute of Energy and Climate Research (IEK-1).

"In principe, anodes op basis van tindioxide kunnen veel hogere specifieke capaciteiten bereiken, en daardoor meer energie op te slaan, dan de koolstofanoden die momenteel worden gebruikt. Ze hebben het vermogen om meer lithiumionen te absorberen, " zegt Fattakhova-Rohlfing. "Puur tinoxide, echter, vertoont een zeer zwakke cyclusstabiliteit - de opslagcapaciteit van de batterijen neemt gestaag af en ze kunnen slechts een paar keer worden opgeladen. Het volume van de anode verandert met elke laad- en ontlaadcyclus, waardoor het afbrokkelt."

Een manier om dit probleem aan te pakken zijn hybride materialen of nanocomposieten:composietmaterialen die nanodeeltjes bevatten. De wetenschappers ontwikkelden een materiaal dat bestaat uit nanodeeltjes van tinoxide verrijkt met antimoon, op een basislaag van grafeen. De grafeenbasis helpt de structurele stabiliteit en geleidbaarheid van het materiaal. De tinoxidedeeltjes zijn kleiner dan drie nanometer, oftewel minder dan drie miljoenste millimeter, en worden direct op het grafeen 'gegroeid'. De kleine omvang van het deeltje en het goede contact met de grafeenlaag verbetert ook de tolerantie voor volumeveranderingen - de lithiumcel wordt stabieler en gaat langer mee.

Drie keer meer energie in één uur

"Het verrijken van de nanodeeltjes met antimoon zorgt ervoor dat het materiaal extreem geleidend is, " legt Fattakhova-Rohlfing uit. "Dit maakt de anode veel sneller, wat betekent dat het in slechts één minuut anderhalf keer meer energie kan opslaan dan mogelijk zou zijn met conventionele grafietanodes. Het kan zelfs drie keer meer energie opslaan voor de gebruikelijke oplaadtijd van een uur."

"Zulke hoge energiedichtheden werden voorheen alleen bereikt met lage laadsnelheden, ", zegt Fattakhova-Rohlfing. "Snelle laadcycli leidden altijd tot een snelle vermindering van de capaciteit." De met antimoon gedoteerde anodes ontwikkeld door de wetenschappers, echter, behouden 77 % van hun oorspronkelijke capaciteit, zelfs na 1, 000 cycli.

"De nanocomposietanoden kunnen op een eenvoudige en kosteneffectieve manier worden geproduceerd. En de toegepaste concepten kunnen ook worden gebruikt voor het ontwerpen van andere anodematerialen voor lithium-ionbatterijen, " legt Fattakhova-Rohlfing uit. "We hopen dat onze ontwikkeling de weg vrijmaakt voor lithium-ionbatterijen met een aanzienlijk verhoogde energiedichtheid en een zeer korte oplaadtijd."