Poreus materiaal kan capaciteit van lithium-metaal batterijen verhogen

De methode is ontwikkeld door een onderzoeksteam dat onder leiding staat van Bingqing Wei, als hoogleraar Werktuigbouwkunde verbonden aan de Amerikaanse Universiteit van Delaware en directeur van het Center for Fuel Cells and Batteries. In een lithium-ion batterij is de anode (de geleidende zijde) gemaakt van een materiaal waar lithium-ionen zich aan binden, zoals grafiet. De lithium-ion stromen naar de kathode (de niet-geleidende zijde), waardoor energie wordt gegenereerd. 

In een lithium-metaal batterij is de anode gemaakt van lithium-metaal. Herlaadbare batterijen gemaakt van lithium-metaal zijn volgens de onderzoekers veelbelovend, onder meer omdat lithium een zeer grote capaciteit heeft. "Theoretisch is lithium-metaal de beste keuze voor batterijen, maar het is in de praktijk moeilijk om mee te werken", legt Wei uit. 

Lithium-metaal batterijen zijn tot nu toe echter inefficiënt, onstabiel en zelfs brandgevaarlijkheid. De prestaties van de batterijen wordt gehinderd door de vormen van lithiumdendrieten, formaties die lijken op kleine stalagmieten van lithiumafzettingen. Naarmate een batterij wordt gebruikt, verzamelen lithium-ionen zich op de anode. Na verloop van tijd zijn deze afzettingen niet langer uniform, wat leidt tot de formatie van deze dendrieten. Dit kan ertoe leiden dat de batterij kortsluiting maakt. 

Al langer zoeken onderzoekers naar een oplossing voor dit probleem. Na een analyse van eerdere onderzoeken concludeerde Wei dat bij bijna al deze onderzoeken een poreus materiaal wordt gebruikt dat voorkomt dat dendrieten ontstaan op de anode. Het onderzoeksteam van Wei heeft daarom wiskundige modellen ingezet en met behulp hiervan bepaald dat poreus materiaal het ontstaan en de groei van dendrieten onderdrukt. Dendrieten die wel worden gevormd zijn 75% korter dan dendrieten die in systemen zonder poreus materiaal ontstaan. 

Om hun bevindingen te onderbouwen hebben de onderzoekers een membraan gemaakt bestaande uit kleine draden van poreus siliconenitride van minder dan een miljoenste van een meter. Dit membraan is door de onderzoekers geïntegreerd in de lithium-metaalcellen van een batterij, waarna de lithium-metaal batterij voor een periode van 3.000 uur is gebruikt. Dankzij het membraan ontstonden in deze periode geen dendrieten. 

 

De onderzoekers beschrijven hun bevindingen in een paper gepubliceerd in Nano Letters.