Conventionele lithium-ionbatterijen, zoals die veel worden gebruikt in smartphones en notebooks, prestatielimieten hebben bereikt. Materiaalchemicus Freddy Kleitz van de faculteit Scheikunde van de Universiteit van Wenen en internationale wetenschappers hebben een nieuw nanogestructureerd anodemateriaal voor lithium-ionbatterijen ontwikkeld. wat de capaciteit en levensduur van de batterijen verlengt. Op basis van een mesoporeus gemengd metaaloxide in combinatie met grafeen, het materiaal zou een nieuwe benadering kunnen bieden om beter gebruik te maken van batterijen in grote apparaten zoals elektrische of hybride voertuigen. De studie is nu gepubliceerd als cover story van het huidige nummer van Geavanceerde energiematerialen .

Hoge energiedichtheid, langere levensduur en geen geheugeneffect:lithium-ionbatterijen zijn de meest voorkomende energieopslagapparaten voor mobiele apparaten en bieden hoop op elektromobiliteit. Onderzoekers zijn op zoek naar nieuwe soorten actief elektrodemateriaal om de batterijen naar het volgende niveau van hoge prestaties en duurzaamheid te brengen, en om ze beter bruikbaar te maken voor grote apparaten. "Nanogestructureerde lithium-ionbatterijmaterialen kunnen een goede oplossing bieden, " zegt Freddy Kleitz van de afdeling Anorganische Chemie - Functionele Materialen van de Universiteit van Wenen, die samen met Claudio Gerbaldi, leider van de Groep voor Toegepaste Materialen en Elektrochemie aan de Politecnico di Torino, Italië, is de hoofdauteur van de studie.

De 2-D/3-D nanocomposiet op basis van een gemengd metaaloxide en grafeen, ontwikkeld door de twee wetenschappers en hun teams, verbetert de elektrochemische prestaties van lithium-ionbatterijen aanzienlijk. "Tijdens onze testritten het nieuwe elektrodemateriaal zorgde voor een aanzienlijk verbeterde specifieke capaciteit met een ongekende omkeerbare cyclusstabiliteit van meer dan 3, 000 omkeerbare laad- en ontlaadcycli, zelfs bij zeer hoge stroomregimes tot 1, 280 milliampère, ", zegt afdelingshoofd Freddy Kleitz. De huidige lithium-ionbatterijen verliezen hun prestaties na ongeveer 1 000 laadcycli.

Nieuw recept

Conventionele anodes bestaan ​​vaak uit koolstofmateriaal zoals grafiet. "Metaaloxiden hebben een betere batterijcapaciteit dan grafiet, maar ze zijn nogal instabiel en minder geleidend, " legt Kleitz uit. De onderzoekers hebben een manier gevonden om optimaal gebruik te maken van de positieve eigenschappen van beide verbindingen. Ze ontwikkelden een nieuwe familie van elektrode-actieve materialen, op basis van een gemengd metaaloxide en het sterk geleidende en stabiliserende grafeen, met superieure eigenschappen in vergelijking met die van de meeste nanostructuren en composieten van overgangsmetaaloxide.

Als eerste stap, gebaseerd op een nieuw ontworpen kookproces, de onderzoekers waren in staat om koper en nikkel homogeen en onder gecontroleerde wijze te mengen om het gemengde metaal te verkrijgen. Op basis van nanocasting - een methode om mesoporeuze materialen te produceren - creëerden ze gestructureerde nanoporeuze gemengde metaaloxidedeeltjes, die vanwege hun uitgebreide netwerk van poriën een zeer hoog actief reactiegebied hebben voor de uitwisseling met lithiumionen uit het elektrolyt van de batterij. De wetenschappers pasten vervolgens een sproeidroogprocedure toe om de gemengde metaaloxidedeeltjes stevig in te wikkelen met dunne grafeenlagen.

Eenvoudig en efficiënt ontwerp

Het gebruik van lithium-ionbatterijen voor e-mobiliteit wordt vanuit milieuoogpunt als problematisch beschouwd, bijv. vanwege hun grondstofintensieve productie. Kleine batterijen die zoveel mogelijk energie kunnen opslaan, zo lang mogelijk meegaan en niet te kostenintensief zijn om te vervaardigen, zou het gebruik ervan in grootschalige apparaten kunnen bevorderen. "Vergeleken met de bestaande benaderingen, onze innovatieve engineeringstrategie voor het nieuwe hoogwaardige en duurzame anodemateriaal is eenvoudig en efficiënt. Het is een proces op waterbasis en daarom milieuvriendelijk en klaar om op industrieel niveau te worden toegepast, " concluderen de auteurs van de studie.