Wanorde verlengt de levensduur van batterijen

Wat bepaalt de levensduur van batterijen? En belangrijker nog: hoe kunnen we deze verlengen? Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van de TU Delft heeft ontdekt dat lokale wanorde in het oxide kathodemateriaal ervoor kan zorgen dat Li-ion-batterijen vaker kunnen worden opgeladen en ontladen. Hun resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature.

Onstabiele elektrode
Oplaadbare batterijen zijn een belangrijk onderdeel van de energietransitie, zeker nu er steeds meer duurzame energie beschikbaar komt. Van de vele soorten oplaadbare batterijen behoren Li-ion-batterijen tot de krachtigste en meest gebruikte. Om deze batterijen elektrisch aan te kunnen sluiten, worden vaak gelaagde oxidematerialen als elektrode gebruikt. Hun atomaire structuur wordt echter onstabiel wanneer de batterij wordt opgeladen. Dit heeft uiteindelijk invloed op de levensduur van de batterij.

Lokale wanorde
Om dit probleem op te lossen, werkte de groep ‘Storage of Electrochemical Energy’ van de TU Delft samen met internationale onderzoekers. Eerste auteur van het artikel, Qidi Wang: “Het gelaagde oxide dat wordt gebruikt als kathodemateriaal voor Li-ionbatterijen is netjes geordend. We hebben een structuurontwerpstudie uitgevoerd om chemische korteafstandswanorde in het materiaal te introduceren via een verbeterde synthesemethode. Daardoor werd het stabieler tijdens gebruik van de batterij.”

Langere levensduur, kortere oplaadtijd
De verbeterde structurele stabiliteit verdubbelde bijna het capaciteitsbehoud van de batterij na 200 laad-/ontlaadcycli. Bovendien verhoogt de chemische korteafstandswanorde de ladingsoverdracht in de elektrode, wat resulteert in kortere oplaadtijden. Het team demonstreerde deze voordelen voor veelgebruikte commerciële kathodes zoals lithiumkobaltoxide (LiCoO₂) en lithiumnikkelmangaankobaltoxide (NMC811).
 
Kritieke materialen
De uitkomsten zouden kunnen leiden tot een nieuwe generatie Li-ion-batterijen, met lagere productiekosten en een kleinere CO₂-voetafdruk per eenheid opgeslagen energie gedurende de hele levensduur van de batterij. Het team gaat nu onderzoeken of dezelfde materiaalontwerpprincipes kunnen worden gebruikt om kathodes te maken van grondstoffen die minder schaars zijn. “Zowel kobalt als nikkel zijn zogenaamde kritieke materialen voor energietechnologieën en het zou een goede zaak zijn om het gebruik van deze materialen in batterijen te verminderen”, zegt de hoofdauteur van het artikel, Marnix Wagemaker.