ENGINEERINGNET.BE - In lithium-ion batterijen zit een vloeistof, de elektrolyt, die ervoor zorgt dat geladen lithium-ionen zich makkelijk tussen de positieve en negatieve elektrode bewegen.
De elektrolyt maakt ook de chemische reacties mogelijk waarmee elektra wordt opgewekt, en waardoor de batterij wordt opgeladen en ontladen.
‘In dit type batterijen is deze vloeistof echter giftig, bijtend en gemakkelijk ontvlambaar’, aldus Giuseppe Portale, adjunct hoogleraar Polymeerchemie en -natuurkunde aan de Rijksuniversiteit Groningen.
Veel problemen met de vloeibare elektrolyt zijn op te lossen door een elektrolyt van een vaste stof te gebruiken. Maar daarin kunnen de geladen lithium-ionen zich niet zo vrij bewegen als in een vloeistof, wat zorgt voor een minder goed presterende batterij.
Portale maakte daarom een zachte maar stevige elektrolyt van lange, spaghetti-achtige moleculen: polymeren. Samen met lithium zout vormen de polymeren een soort pasta waarin lithium-ionen zich vrijer kunnen bewegen dan in een gewone vaste elektrolyt, maar wel iets minder vrij dan in een vloeistof.
Ook ontwikkelde Portale een innovatie die eenvoudiger is toe te passen: een coating van polymeer elektrolyt op de elektrodes. 'Met die coating kunnen we een deel van de problemen die ontstaan door het vloeistof-elektrolyt voorkomen’, zegt Portale.
Een belangrijk probleem van de huidige lithium batterijen is de vorming van lithium-kristallen, vooral tijdens snelladen. Deze kristallen kunnen zo lang worden dat ze de twee polen van een batterij met elkaar verbinden, wat kortsluiting veroorzaakt. De polymeer-coating kan de vorming van kristallen stoppen, en kortsluiting voorkomen.
Het polymeer elektrolyt is iets duurder dan de gewone vloeibare elektrolyten. Maar als je vloeistof vervangt door polymeren kun je ineens allerlei verbeteringen aanbrengen.
Door de individuele polymeerslierten aan elkaar te koppelen, ontstaat een netwerk dat het transport van lithium ionen verbetert: ze kunnen dan van sliert naar sliert overspringen om zich tussen de polen van de batterij te verplaatsen, als de slierten flexibel genoeg zijn. Andere verbeteringen kunnen het polymeer groener en meer duurzaam maken.
‘We kunnen ook bepaalde deeltjes aan het polymeer toevoegen waardoor het zo goed als onbrandbaar wordt’, zegt Portale.
Dat zou het einde zijn van exploderende telefoons of e-bikes. Andere toevoegingen helpen het polymeer elektrolyt om schokken te absorberen. Dat voorkomt schade aan de batterij als je je telefoon laat vallen. en daarmee ook de kans op een exploderende batterij.
‘We werken bovendien aan een zelfhelend elektrolyt, waardoor eventuele schade vanzelf ongedaan wordt gemaakt.’
