Amerikaanse onderzoekers van de Texas A&M University hebben een technologie ontwikkeld die de lithiumionbatterijen in je telefoon, laptop en elektrische auto sterk kan verbeteren.
Kort door de bocht gezegd bouwt de technologie een steiger van koolstofnanobuisjes in een van de elektroden van de batterij, waardoor die veel hogere spanningen aankan en veel veiliger wordt.
Lithiumanoden zijn beter – en gevaarlijker
Een gewone lithiumionbatterij heeft aan elke kant een elektrode, waartussen lithiumionen heen en weer gaan als de batterij wordt geladen en ontladen. Bij het opladen gaan de ionen naar de negatieve elektrode, de anode. Bij het ontladen gaan ze naar de positieve elektrode, de kathode.
De anode bestaat nu voornamelijk uit grafiet en koper. Maar er wordt al langer over gepraat om anoden van pure lithium te maken, omdat dit de energiedichtheid van de anode en daardoor van de batterij sterk verhoogt. De batterij krijgt 10 keer zo veel capaciteit en is veel sneller op te laden.
Het probleem met lithiumanoden is dat ze na verloop van tijd vaak kapotgaan. Als lithiumionen zich ophopen in de anode, hebben ze de neiging samen te klonteren en dendrieten te vormen – kleine kristallijne structuren die op bomen lijken.
Naarmate de dendrieten groeien, kunnen er gaten in de batterij ontstaan. Dat kan leiden tot kortsluiting en in het ergste geval tot een explosie.
Lithiumionen hebben de neiging samen te klonteren en dendrieten te vormen, die funest zijn voor een batterij. Maar met een nieuwe ‘steiger’ van nanobuisjes (rood) kunnen de lithiumionen worden vastgehouden, zodat ze niet samenklonteren.
Nanosteiger waarborgt de veiligheid
De onderzoekers uit Texas hebben echter een interessante oplossing, die het mogelijk maakt op een veel stabielere wijze batterijen met een lithiumanode te maken: door een poreuze ‘steiger’ van nanobuisjes te bouwen kan de vorming van dendrieten voorkomen worden.
De nanosteiger is gemaakt van koolstof dat deels is bekleed met moleculen en daardoor lithiumionen aan zich kan binden. De steiger zit in het verlengde van de anode en houdt de lithiumionen vast, zodat die niet samenklonteren op het anodeoppervlak. Daardoor ontstaan er geen dendrieten als het energiedichte lithium wordt gebruikt.
Dat betekent dat de uitvinding de capaciteit van de batterij en de oplaadsnelheid enorm kan verhogen zonder dat het ten koste gaat van veiligheid en levensduur.
Volgens de onderzoekers kan hun beste anode een spanning hebben van vijf keer de huidige lithiumionbatterijen. Met zo’n capaciteit kan de batterij worden opgeladen in een fractie van de nu benodigde tijd, wat zeker voor elektrische auto’s een doorbraak zou zijn.