Grote verbetering batterijen mogelijk met ultradunne laag

Onderzoek TU Eindhoven laat zien dat prestaties en levensduur van lithium-ion batterijen te verbeteren zijn door toevoeging van een beschermlaagje op elektrodes van enkele atoomlagen dik.

Trefwoorden: #batterij, #onderzoek, #TU/e

Lees verder

research

( Foto: TU/e )

ENGINEERINGNET.BE - “Li-ion batterijen hebben een relatief hoge energie- en vermogensdichtheid, maar gezien de grote maatschappelijke vraag is dat voor veel toepassingen nog niet hoog genoeg. Een ander probleem is de veiligheid. De elektrolyt-vloeistof is brandbaar en kan onder bepaalde omstandigheden ontploffen,” aldus promovenda Norah Hornsveld.

De meeste problemen ontstaan op het grensvlak van de elektrode en het vloeibare elektrolyt. Als een batterij voor het eerst oplaadt, ontstaat daar een tussenfase door de chemische reacties. Die kan dik en poreus worden en actieve Li-ionen consumeren. Dat is slecht voor de prestatie en levensduur van de batterij.

Daarom onderzocht Hornsveld het maken van nanometer dunne lagen die je op dat grensvlak kunt aanbrengen om de elektrode te beschermen. “Het is belangrijk dat deze lagen heel dun zijn, zodat ze niet voor extra weerstand zorgen in de batterij, maar ook uniform zodat ze de elektroden goed kunnen beschermen."

Zij gebruikte Atomic Layer Deposition (ALD) om dunne films te maken. “Door gebruik te maken van gassen en plasma kunnen we in een reactor een film van één of meerdere atoomlagen laten groeien. Vanwege het zelflimiterende karakter van ALD lukt dat heel gecontroleerd, overal even dik en met een superkwaliteit.”

“We hebben films van verschillende materialen gemaakt, met variabele eigenschappen zoals compositie, laagdikte en kristalliniteit. Dat is belangrijk om de film te kunnen aanpassen aan specifieke elektrodematerialen.”

Dit kan ook bijdragen in de ontwikkeling van batterijen van de volgende generatie, zoals de ‘vastestofbatterij’. In deze batterij is het elektrolyt een vast materiaal in plaats van een vloeistof, waardoor minder problemen optreden op het grensvlak van elektrode en elektrolyt. Dat maakt dit type batterij veiliger en zorgt voor een hogere energiedichtheid.

“Plasma-ALD processen zijn ook interessant voor het maken van batterijmaterialen, omdat deze meer vrijheid bieden in procesparameters om zo de eigenschappen van de lagen aan te passen. Verder zijn ze bruikbaar om op 3D-structuren een uniforme dunne laag aan te brengen”, aldus Hornsveld.

Op de afbeelding boven: Een voorbeeld van de dunne laagjes die Hornsveld wist te maken met ALD. Dit beeld komt van een Scanning Electron Microscope (SEM).