Lithium-ionbatterijen zouden veiliger en compacter kunnen zijn als ze een vaste stof hebben die ionen geleidt, in plaats van een vloeistof. Er zijn echter nog geen geschikte vaste stoffen ontdekt waarbij de batterij stabiel blijft presteren. Onderzoekers zoeken daarom naarstig naar nieuwe mogelijke materialen. Aan de Universiteit van Liverpool is een nieuw materiaal ontdekt met veelbelovende ion-doorlatende eigenschappen, staat vrijdag in het wetenschappelijke tijdschrift Science.
Lithium-ionbatterijen zitten bijvoorbeeld in elektrische fietsen, auto’s en telefoons. In de batterijen vindt steeds een chemische reactie plaats: lithium-ionen bewegen van anode naar kathode bij het ontladen en weer terug bij opladen. Hun route loopt via de elektrolyt: een stof tussen de anode en kathode in die ionen wel doorlaat maar elektronen niet. Elektronen moeten gedwongen buitenom lopen, zo levert de batterij stroom.
Brandgevaar is een groot nadeel. Boosdoener is de brandbare, vloeibare elektrolyt. Het maakt een stevige metalen behuizing rond de batterij en een scheidend laagje – een separator – in de batterij noodzakelijk.
Minder ruimte en gewicht
Een vaste stof als ionengeleider is niet brandbaar. Dat maakt hem veiliger, en in het kielzog kunnen ook andere onderdelen van de batterij verbeteren. „De vastestof-elektrolyt neemt minder ruimte en gewicht in dan de vloeibare elektrolyt, er is geen separator meer nodig en er is minder metalen verpakking rond de batterijcel nodig”, zegt Mark Huijben, hoogleraar nanomaterialen voor energieconversie en -opslag aan de Universiteit Twente. „Maar het belangrijkste is dat de huidige anode van grafiet waarschijnlijk vervangen kan worden door puur lithiummetaal. Dat zou het gewicht en het volume van iedere batterijcel flink reduceren.”
Een geschikt materiaal vinden is lastig. „Het is voor een vast materiaal helemaal niet makkelijk om een geladen atoom, een ion, door de eigen atoomstructuur te laten bewegen als de bewegingsruimte erg beperkt is”, vat Huijben de moeilijkheid samen.
Het nieuwe materiaal dat de onderzoekers uit Liverpool voorstellen – Li7Si2S7I – heeft een vergelijkbare ionen-geleidbaarheid als vloeibare elektrolyt. Behalve een specifieke samenstelling heeft het materiaal ook een specifieke atoomstructuur, die ontwikkeld is door experimenteel chemisch onderzoekswerk te combineren met kunstmatige intelligentie.
„Het is een interessant resultaat met een nieuw materiaal met veelbelovende eigenschappen”, zegt Huijben. „Maar altijd is de vraag: hoe stabiel is de batterijcel? In de afgelopen tien jaar zijn er verschillende materiaalklassen ontwikkeld met veelbelovende prestaties. Bij andere sulfides met waardes vergelijkbaar met vloeibaar elektrolyt treedt er behoorlijke degradatie op. Die batterijen kunnen maar een beperkt aantal keren op- en ontladen. Andere materialen degraderen minder, maar die hebben dan weer minder goede ionengeleiding. ”
De onderzoekers gaan in Science niet uitgebreid in op de stabiliteit van Li7Si2S7I. Ze benadrukken vooral dat hun vondst een nieuwe familie van elektrolyt-materialen kan opleveren.
