Nieuw gereedschap voor onderzoek aan Li-ionen accu's

Accu's waarvan de kathode uit een legering van nikkel, mangaan, kobalt en lithium bestaat, hebben de conventionele lithium-kobaltoxide-accu's vergaand van de markt verdrongen. Ze zijn goedkoper en worden daarom onder andere voor elektrische en hybride auto's gebruikt. Maar hun capaciteit loopt snel terug. Positronenonderzoek maakt duidelijk waarom.

Deze zogeheten NMC accu's gelden momenteel als de krachtigste typen. Maar ze hebben een begrensde levensduur. Reeds bij de eerste cyclus verliezen ze tot 10% van hun capaciteit. Een interdisciplinair team onderzoekers aan de Technische Universität München heeft met behulp van positronen nauwkeuriger onderzocht hoe dat komt en wat er tegen het capaciteitsverlies kan worden gedaan.

Bij deze accu's draagt weinig meer dan 50% van de lithium-ionen bij aan de feitelijke capaciteit. Bij de eerste ontlading van de onderzochte elektroden aan de TU München kon nog 62% van de lithiumionen uit het kristalrooster worden losgemaakt, bij het opnieuw opladen keerde nog maar 54% terug. Bij de daarop volgende cycli is het verlies weliswaar kleiner, maar toch neemt de capaciteit steeds verder af. Na een paar duizend cycli is de restcapaciteit nog zo gering, dat de accu onbruikbaar wordt.

Gaten in het rooster

Andere onderzoekers toonden aan, dat bij het laden niet alle lithium-ionen weer in de passende gaten in het kristalrooster terugkeren. Tot nu toe gebruikte methoden konden echter niet de daarvoor verantwoordelijke atomaire processen aantonen.

Zoals gewoonlijk bracht interdisciplinaire samenwerking de oplossing, in dit geval tussen de leerstoel voor Technische elektrochemie van de TU München en het Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ) in Garching, waar aan de onderzoeksneutronenbron Nepomuc ook accutechnologie wordt onderzocht. Dit instrument genereert positronen, de antideeltjes van elektronen, waarmee gericht naar gaten in kristalroosters kan worden gezocht.

De extreem kleine en zeer beweeglijke positronen kunnen door materialen heen schieten. Botsen ze op een elektron, dan verdwijnen ze ter plekke in een energiepiek. Vinden ze een lege plek in het kristalrooster, dan leven ze langer. Omdat de positronen korte tijd in de lege roosterplekken gevangen zitten voordat ze tenslotte verdwijnen, maken ze met zogeheten positronen-annihilatiespectroscopie nauwkeurige conclusies over de lokale omgeving mogelijk. Dit gebeurt met een zeer hoge gevoeligheid: er kunnen foutconcentraties tot 1 op 10 miljoen worden gedetecteerd.

Gerichte materiaalontwikkeling

De studie maakt duidelijk dat de bij het opnieuw opladen resterende gaten in het rooster van het kathodemateriaal samenhangen met het niet-omkeerbare capaciteitsverlies en dat deze blokkade te wijten is aan het onvoldoende opvullen van de gaten in het kathodemateriaal. Chemici kunnen nu met doelgerichte modificatie van het kathodemateriaal mogelijkheden zoeken om dit faalmechanisme te omzeilen.

bron: TU München