ENGINEERINGNET.BE - Het onderzoek naar een betere, efficiëntere generatie lithium-ion batterijen zet vandaag sterk in op de ontwikkeling van steeds kleinere (nano)materialen.
Maar die nanodeeltjes leiden niet systematisch tot betere resultaten, zo blijkt nu uit een internationale studie van prof. dr. Frank Renner en doctoraatsstudent Boaz Moeremans (Instituut voor Materiaalonderzoek, UHasselt).
Hun resultaten werden onlangs gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift
‘Nature Communications’.
Lithium-ion batterijen zijn haast alomtegenwoordig - tot in onze smartphones en laptops toe. En om van de elektrische auto net zo’n conventioneel vervoersmiddel te maken als de traditionele wagen, voeren wetenschappers vandaag intensief onderzoek naar nog betere batterijmaterialen. Een algemene tendens in dat industriële en academische onderzoek is de ontwikkeling van steeds kleinere nanostructuren.
Boaz Moeremans: “Het lithium-ion verplaatst zich tijdens het batterijgebruik tussen twee elektroden via een zoutoplossing. Wanneer de lithium-ionen bij de elektrode aankomen, moeten die zich door ‘atomaire deurtjes’ in de elektrode begeven. Als er plots veel elektriciteit nodig is, bijvoorbeeld tijdens het versnellen van een elektrische wagen, dan kan er voor die deurtjes een file van lithium-ionen ontstaan en wordt de volledige capaciteit van de batterij niet benut. Door kleinere of poreuzere elektrodedeeltjes te ontwikkelen, ontstaan er meer deurtjes en kunnen de lithium-ionen zich dus sneller en efficiënter in de elektrode nestelen.”
Om te achterhalen of die nanostructuren wel leiden tot een efficiënter batterijgebruik, bekeken de onderzoekers de poriën in batterijmaterialen.
Prof. dr. Frank Renner (IMO/UHasselt): “Met een nanotoestel (Surface Forces Apparatus) duwden we twee vlakke atomaire materialen dicht bij elkaar, waardoor we nanoporiën konden nabootsen. Zo ontdekten we dat de vloeibare zoutoplossing aan het oppervlak van het batterijmateriaal een rigide vloeistoflaag vormt van 1 tot 2 nanometer dik. Door die laag kunnen lithium-ionen niet vlot bewegen en kunnen de kleinste poriën niet als toegangspoort tot de elektrode dienen. En dus kan je het volledige potentieel van de batterij ook niet gebruiken.”
De resultaten zijn volgens de onderzoekers een grote stap in de zoektocht naar de blueprint van het ideale batterijmateriaal. De volgende stap is om batterijmaterialen te ontwikkelen gebaseerd op hun bevindingen.
Zo wordt samen met Umicore aan een nieuwe generatie batterijmaterialen met een zeer hoge energiecapaciteit gewerkt. Het commercialiseren van dit materiaal zal de deur openzetten voor een toekomst waarin de elektrische wagen eerder regel dan uitzondering is.
Renner: “Bovendien zullen we deze technologie aan de UHasselt, samen met EnergyVille in Genk, ook verder ontwikkelen voor het gebruik van zonnepanelen thuis.”
Het onderzoek is een samenwerking tussen de UHasselt, het Max-Planck-Institut für Eisenforschung (Düsseldorf), TUBA Freiberg (Duitsland) en Brown University (VS). Umicore (Olen) ondersteunt het onderzoek als industriële partner.
