Wanneer lithiumionen snel door een batterij worden gedwongen, kunnen ze vast komen te zitten en in lithiummetaal veranderen, dat niet langer door de batterij kan bewegen.

Stel je voor dat je je elektrische auto kunt tanken terwijl je stopt voor een snelle snack of je telefoon kunt bijvullen terwijl je je tanden poetst.

"Snel opladen is een soort heilige graal. Het is wat iedereen die een apparaat met een lithium-ionbatterij bezit, wil kunnen doen", zegt senior ingenieur David Wragg van het Centrum voor Materiaalwetenschap en Nanotechnologie aan de Universiteit van Oslo.

In de batterij zit echter veel gecompliceerde chemie die gevoelig kan zijn voor hoe snel deze wordt opgeladen. Er kunnen dingen misgaan.

"Capaciteitsverlies is het meest kritieke," zegt Wragg tegen Titan.uio.no.

"Het is mogelijk om batterijen te maken met een zeer hoge capaciteit waarmee je misschien 1000 km met je elektrische auto kunt rijden, maar nadat je hem een ​​paar keer hebt opgeladen en ontladen, verlies je ongeveer de helft van die capaciteit en actieradius.

Alle oplaadbare batterijen verslechteren na verloop van tijd, maar dit negatieve effect is extra sterk wanneer de batterij aan snelladen wordt blootgesteld. Wragg is een van de onderzoekers achter een onderzoek waaruit blijkt waarom.

Ze hebben kunnen zien dat de lithiumionen, die zo belangrijk zijn voor de capaciteit van een batterij, worden omgezet in puur lithiummetaal en niet meer bruikbaar zijn. En het belangrijkste:dit effect wordt enorm versterkt door snel opladen.

De batterij is als een schommelstoel

Aan de ene kant van de batterij bevindt zich de anode en aan de andere kant de kathode. Beide elektroden kunnen elektronen en ionen opslaan. Daartussen bevindt zich een afscheider en een vloeibare elektrolyt die de ionen van de ene naar de andere kant helpt.

Ionen en elektronen verplaatsen zich van de ene kant van de batterij naar de andere wanneer je de daar opgeslagen stroom gebruikt en weer terug wanneer je hem oplaadt.

"Ze noemen dit het schommelstoelmechanisme, waarbij je de ijzers en de elektronen van de ene naar de andere kant laat schommelen."

"Als ze vers zijn en perfect werken, kunnen batterijen een bepaalde hoeveelheid ionen opslaan, en dat is de totale capaciteit van het systeem", zegt Wragg.

Wanneer de ionen, die vroeger heen en weer gingen, in metaal veranderen, kunnen ze niet meer door de batterij bewegen. De ionen zijn geladen en kunnen heen en weer worden gelokt. De metaalatomen zijn neutraal en kunnen in geen van beide richtingen verleid worden.

"Als lithium eenmaal in metaal is omgezet, is het niet meer echt toegankelijk voor de elektrochemische reactie. Deze capaciteit gaat volledig verloren", zegt Wragg.

Dit gebeurt in alle oplaadbare lithium-ionbatterijen als je ze vaak genoeg hebt opgeladen. Maar waarom wordt het erger als je snel oplaadt?

Knelpunten tijdens snel opladen

Tijdens snelladen bewegen hetzelfde aantal ionen door het systeem, maar veel sneller. Alle ionen moeten in veel kortere tijd hun plaats in de anode vinden.

"Als je met dubbele snelheid oplaadt, moet je dezelfde hoeveelheid ionen en elektronen in de helft van de tijd verplaatsen", zegt Wragg.

Als je vier of zes keer zo snel oplaadt, wordt het natuurlijk nog moeilijker.

"Het is moeilijk omdat er bepaalde limieten zijn aan de chemie die plaatsvindt wanneer je lithiumionen heel snel in een vast elektrodemateriaal probeert te plaatsen", zegt Wragg.

De anodes, die tijdens het opladen ionen ontvangen, zijn gemaakt van grafiet, dat is gevormd uit dunne lagen koolstof. De anode bestaat uit enkele miljoenen van dergelijke lagen.

"Leeg grafiet is als een pak kaarten en de lithiumionen zijn als kleine balletjes die in de ruimtes tussen de kaarten worden geduwd. Het probleem is dat je knelpunten kunt krijgen als je de lithiumionen tussen de lagen in het grafiet probeert te duwen.

"Je blijft ionen naar binnen duwen, maar tenzij de ionen die al tussen de lagen zitten dieper in de stapel kunnen dringen, is er geen ruimte voor nieuwe ionen om erin te komen. Als je de batterij heel snel oplaadt, verspreidt het lithium zich niet door het geheel grafietelektrode helemaal niet. Het komt gewoon dicht bij de elektrolyt vast te zitten, waar de anode en de kathode gescheiden zijn. "

Het is vooral hier, in deze knelpunten, dat de geladen ionen neutrale atomen worden en zich ophopen in kleine stukjes metaal. De ionen bewegen niet verder, terwijl er tegelijkertijd energie wordt toegevoerd. Deze overtollige energie kan een ion veranderen in een neutraal en stabiel atoom.

"Het wordt lithiumplating genoemd. Dat is wanneer lithiumionen, in plaats van in de ionische vorm te blijven, lithiummetaal worden. Dit is al heel lang bekend, maar het is nog niet eerder waargenomen in een werkende batterij," Wragg zegt.

Dit is echter Wragg en zijn collega's gelukt. Met behulp van röntgenstralen scanden ze batterijen elke 25 milliseconden, steeds opnieuw, terwijl ze snel oplaadden met verschillende snelheden. Dit gaf hen enorme hoeveelheden gegevens over wat er gebeurt tot op atomair niveau.

"We konden de lithiumplating daadwerkelijk zien opbouwen. Tijdens het snel opladen zagen we de hoeveelheid lithium heel snel toenemen. Onze theorie is dat het iets te maken heeft met dit knelpunt van lithiumionen. We zien veel lithiumionen in de buurt van de separator en dit is ook waar we de lithiumplating zien", zegt Wragg.

"Het meest waarschijnlijke is dat je deze lithiumionen opbouwt en dat ze gewoon niet meer bij het grafiet kunnen komen. Ze komen daar vast te zitten en er is veel warmte, er wordt veel energie in gestopt, en dus worden ze verminderd tot lithiummetaal."

Ze zagen hoe de grafietlagen die zich het dichtst bij de andere elektrode bevonden erg rijk waren aan lithium, terwijl er dieper in bijna geen lithium was. Het werd erger naarmate ze sneller oplaadden.

"Hoe sneller je erop drukt, hoe sneller de beplating plaatsvindt", zegt Wragg.

De toekomst:nanobuisjes en grafeen?

Het onderzoek is zeker niet het einde van snelladen. Het betekent alleen dat onderzoekers nieuwe en betere oplossingen moeten vinden.

"Het belangrijkste hiervan is dat mensen die batterijen maken, manieren proberen uit te werken om het lithiumtransport te verbeteren, zodat wanneer je snel oplaadt, er meer kans is dat het lithium daadwerkelijk doordringt tot de hele grafietanode, " zegt Wragg.

Onderzoekers over de hele wereld zijn op zoek naar nieuwe materialen en methoden die ervoor kunnen zorgen dat batterijen beter bestand zijn tegen snel opladen.

"Er zijn bijvoorbeeld veel mensen die koolstofnanobuisjes gebruiken. Koolstofnanobuisjes krijg je als je een van de kaarten neemt en deze in een buis krult. Het is als een grafiet dat tot buizen is gevormd in plaats van een beetje plat. "

Wragg en collega's van de Universiteit van Oslo werken met grafeen, losse vellen grafiet, in de anode.

"Grafiet is al honderden jaren bekend. Grafeen en koolstofnanobuisjes zijn al zo'n 30 jaar bekend, dus het kost tijd."

Tot dusver zijn geen van deze innovaties verschenen in commerciële batterijen.

"Maar het zal ongetwijfeld gebeuren", zegt Wragg.